Batterie Esauste? Ci Pensano i Batteri! Un Tuffo nel Bioleaching ad Alta Densità

Amici appassionati di scienza e tecnologia, tenetevi forte! Oggi vi porto nel cuore di una ricerca che potrebbe davvero cambiare le carte in tavola nel modo in cui gestiamo uno dei rifiuti più problematici e, allo stesso tempo, preziosi del nostro tempo: le batterie al litio usate (ULIBs). Sì, quelle che alimentano i nostri smartphone, laptop e veicoli elettrici. Sappiamo tutti che si accumulano a una velocità impressionante, e smaltirle non è una passeggiata, né per l’ambiente né per la nostra salute. Ma se vi dicessi che dei microscopici operai, dei batteri per la precisione, potrebbero darci una mano enorme?

Nel nostro laboratorio, ci siamo immersi in una sfida affascinante: come estrarre metalli critici come nichel (Ni), cobalto (Co) e litio (Li) da queste batterie esauste in modo efficiente, economico e, soprattutto, verde. Le tecniche tradizionali, come la pirometallurgia (che usa il calore) e l’idrometallurgia (che usa acidi chimici forti), hanno i loro bravi contro: consumo energetico elevato, emissioni nocive, produzione di scarti acidi difficili da gestire. Insomma, non proprio il massimo della sostenibilità.

Entrano in Scena i Nostri Eroi: i Batteri Acidofili

Ed è qui che entra in gioco la bioidrometallurgia, e in particolare il bioleaching (o biolisciviazione, se preferite). Immaginate dei batteri che, come parte del loro metabolismo, producono acidi organici e inorganici. Questi acidi, molto più “gentili” di quelli chimici industriali, possono letteralmente sciogliere i metalli intrappolati nelle batterie, rendendoli disponibili per il recupero. Sembra fantascienza, vero? Eppure, è una realtà su cui stiamo lavorando sodo!

Il problema principale, quando si cerca di applicare il bioleaching su scala industriale, è che spesso i batteri si “stressano” o vengono inibiti quando la concentrazione di materiale da trattare (la cosiddetta densità di polpa) diventa alta. Inoltre, hanno bisogno di “cibo” specifico, come lo zolfo, per produrre i loro preziosi agenti acidi. Se manca lo zolfo, la festa finisce prima di iniziare.

Nel nostro studio, ci siamo concentrati su un batterio tosto, l’Acidithiobacillus thiooxidans, un vero specialista nell’ossidare lo zolfo per produrre acido solforico biogenico. La nostra idea rivoluzionaria? Un approccio chiamato “spent-medium bioleaching“. In pratica, abbiamo separato le due fasi: prima facciamo crescere i nostri batteri in un ambiente ottimale, facendogli produrre una bella scorta di agenti acidi (BAA – Bacterial Acidic Agents). Poi, prendiamo questo “brodo acido” ricco di metaboliti e lo usiamo per lisciviare i metalli dalle polveri di batterie. Questo trucchetto ci permette di evitare molti problemi di inibizione batterica e di lavorare con densità di polpa molto più elevate.

La Ricetta Perfetta: Ottimizzare i Parametri per un Bioleaching da Campioni

Per trovare le condizioni ideali, abbiamo usato una tecnica statistica chiamata Response Surface Methodology (RSM). È come cercare la ricetta perfetta per una torta, variando gli ingredienti (nel nostro caso, la dose di zolfo, la quantità di batteri inoculati e il pH iniziale) per ottenere il risultato migliore (massima produzione di acido solforico e una bella acidificazione del mezzo). E i risultati sono stati entusiasmanti: siamo riusciti a ottenere una concentrazione di solfato di 40.3 g/l e una variazione di pH (ΔpH) di 1.87! Mica male per dei batteri, eh?

A questo punto, armati del nostro super-liquido bio-acido, siamo passati all’azione sulle polveri di catodi di batterie al litio. Abbiamo testato diverse densità di polpa, da 10 fino a ben 50 g/l. E indovinate un po’? Anche alla densità più alta, dopo soli 7 giorni, abbiamo recuperato percentuali impressionanti di metalli: il 92% del Litio, l’88% del Nichel e il 78% del Cobalto! Un successo che dimostra la potenza di questa strategia “verde”, soprattutto se confrontata con la lisciviazione chimica tradizionale, dove il nostro approccio si è dimostrato superiore.

Ma non ci siamo fermati qui. Volevamo capire meglio cosa succedesse “sotto il cofano”, ovvero la cinetica del processo. Utilizzando modelli matematici come l’equazione di Avrami e il modello “shrinking core” (nucleo che si restringe), abbiamo scoperto che il fattore limitante, quello che detta la velocità del processo, è la diffusione dell’agente lisciviante attraverso lo strato di prodotto che si forma attorno alle particelle di batteria. Immaginate di dover raggiungere il centro di una caramella dura: prima dovete superare lo strato esterno. È un’informazione cruciale per pensare a come scalare il processo a livello industriale.

Perché Questo Approccio è Così Promettente?

Vi starete chiedendo: “Ok, bello, ma quali sono i vantaggi concreti?”. Beh, sono parecchi:

• Sostenibilità ambientale: Riduciamo drasticamente l’uso di acidi chimici aggressivi e la produzione di rifiuti tossici. I nostri batteri fanno il lavoro sporco in modo molto più ecologico.
• Efficienza a alte densità: Lavorare con alte densità di polpa significa poter trattare più materiale in reattori più piccoli, abbattendo i costi operativi.
• Recupero di metalli critici: Litio, Nichel e Cobalto sono fondamentali per la transizione energetica. Recuperarli dalle batterie usate riduce la dipendenza dall’estrazione mineraria, spesso impattante.
• Scalabilità: L’approccio “spent-medium” semplifica le cose, rendendo più facile immaginare impianti industriali basati su questa tecnologia. Richiede attrezzature relativamente semplici come bioreattori, compressori e pompe.

Abbiamo anche dato un’occhiata al “prima” e al “dopo” delle polveri di batteria con un microscopio elettronico a scansione (FE-SEM). Le immagini sono eloquenti: la superficie liscia delle particelle originali diventa ruvida e corrosa dopo il trattamento con i nostri agenti acidi batterici, segno che i metalli sono stati effettivamente mobilizzati. È la prova visiva che i nostri piccoli amici batteri hanno fatto un ottimo lavoro!

Per darvi un’idea, le batterie che abbiamo usato provenivano da laptop dismessi. Dopo averle scaricate e smembrate, abbiamo macinato il materiale attivo dei catodi fino a ottenere una polvere fine (sotto i 75 µm), perché particelle più piccole significano una maggiore superficie di contatto e quindi una reazione più veloce. L’analisi chimica iniziale di questa polvere ha rivelato un contenuto metallico interessante: circa il 30.4% di cobalto, il 10.3% di litio e l’8.2% di nichel, oltre a manganese, ferro e, ovviamente, carbonio (grafite dagli anodi).

Durante il processo di biolisciviazione, i protoni (H+) generati dai batteri attaccano gli ossidi metallici presenti nelle batterie. Ad esempio, il litio, presente come LiCoO2 e LiNiO2, viene rilasciato in soluzione. Anche il nichel e il cobalto, spesso presenti in forma trivalente (Co3+, Ni3+), vengono ridotti a forme bivalenti più solubili (Co2+, Ni2+).

Un aspetto interessante emerso è che, nonostante l’aumento della densità di polpa a 50 g/l nel nostro studio attuale rispetto a lavori precedenti (che si fermavano a 40 g/l e usavano colture miste di A. thiooxidans e A. ferrooxidans in lisciviazione diretta), l’efficienza di estrazione del litio è addirittura migliorata. Questo suggerisce che il meccanismo di dissoluzione acida per il litio è particolarmente favorito dal nostro sistema “spent-medium” con A. thiooxidans, che garantisce un’elevata acidità.

Abbiamo anche confrontato i nostri risultati con quelli di altri studi che usano batteri o funghi. Devo dire, con un pizzico di orgoglio, che il nostro approccio con A. thiooxidans e la strategia “spent-medium” si è dimostrato particolarmente efficace per Ni, Co e Li, soprattutto a densità di polpa così elevate. Non è stato necessario nemmeno un lungo periodo di adattamento dei batteri, il che è un altro bel vantaggio per le applicazioni industriali.

Certo, la strada verso l’industrializzazione su larga scala è ancora lunga e presenta sfide, come ottimizzare ulteriormente i tempi e i costi. La scoperta che la diffusione è il passaggio limitante ci dice che non basta aumentare la concentrazione dei reagenti; dobbiamo anche studiare come migliorare questa diffusione nei bioreattori più grandi. Ma i risultati sono incredibilmente promettenti.

In conclusione, la nostra ricerca apre una finestra su un futuro in cui il riciclo delle batterie al litio potrebbe essere molto più pulito ed efficiente, grazie all’instancabile lavoro di microrganismi come l’Acidithiobacillus thiooxidans. È un esempio lampante di come la natura possa offrirci soluzioni geniali ai problemi creati dalla tecnologia. E noi, scienziati, siamo qui per scoprirle e metterle al servizio di tutti. Continuate a seguirci, perché il mondo della scienza non smette mai di stupire!

Fonte: Springer