Un recyclage plus efficace des piles grâce à la modélisation mathématique
Récupérer des matières premières précieuses avec moins d'efforts
Comment pouvons-nous récupérer autant de matières premières précieuses que possible, telles que le lithium, à partir de déchets électroniques fondus ? Cette question est examinée dans le cadre d'un programme prioritaire de la Fondation allemande pour la recherche (DFG) consacré à la production de minéraux artificiels sur mesure grâce au recyclage métallurgique, auquel participent des mathématiciens de l'Institut de stochastique de l'université d'Ulm. Ils calculent comment différents paramètres, tels que le processus de refroidissement ou le processus de broyage, affectent le matériau recyclé. Grâce à ce travail, les mathématiciens contribuent à optimiser le processus et à réduire les coûts en évitant de recourir à des expériences coûteuses.
Les batteries de voiture, les condensateurs ou les capteurs usagés contiennent souvent encore des matières premières précieuses telles que le lithium. Ce type de déchets électroniques peut être recyclé de deux manières : soit les différents composants sont séparés à l'aide de procédés mécaniques, soit toutes les pièces sont fondues. Cette dernière technique présente l'avantage, par rapport aux processus de séparation mécanique, de permettre la récupération de métaux précieux à faible concentration qui seraient autrement perdus dans le flux de recyclage. Dans le creuset, le métal tombe au fond, tandis que tous les matériaux qui devraient être séparés du métal, les scories, sont recueillis dans la couche supérieure. Pendant longtemps, ces scories ont été traitées comme des déchets - mais elles contiennent des matières premières précieuses qui se cristallisent en minéraux artificiels au cours d'un processus de refroidissement spécialement adapté. Orkun Furat et le professeur Volker Schmidt, dans le cadre du programme prioritaire SPP 2315 du DFG intitulé "Engineered Artificial Minerals (EnAM) - a geometallurgical tool for recycling critical elements from waste streams" (Minéraux artificiels manufacturés (EnAM) - un outil géométallurgique pour le recyclage d'éléments critiques à partir de flux de déchets). Le réseau de recherche, avec ses quelque 25 projets individuels, existe depuis 2022. Le financement vient d'être prolongé de trois ans, avec environ 268 000 euros pour Ulm. Le SPP 2315 est coordonné par le professeur Urs Peuker de la TU Bergakademie Freiberg.
Aussi gros que possible, avec une forte proportion de matériaux recyclables et faciles à décomposer : telles sont les caractéristiques des minéraux parfaits que les chercheurs espèrent produire dans le laitier afin qu'ils puissent ensuite être facilement récupérés. Afin de prédire les conditions dans lesquelles les minéraux artificiels se forment de manière optimale, les chercheurs de l'Institut de stochastique de l'université d'Ulm travaillent en étroite collaboration avec des ingénieurs de procédés et des métallurgistes qui réalisent des expériences de fusion standardisées et des processus de recyclage mécanique et fournissent aux mathématiciens un large éventail de données réelles mesurées. Il s'agit notamment de données d'images, c'est-à-dire d'images microscopiques de la structure du laitier à différents points de la chaîne de traitement. Le travail des mathématiciens d'Ulm consiste à comprendre le processus, à développer des modèles mathématiques et à simuler différents scénarios sur ordinateur afin d'optimiser le processus. La réalisation de milliers d'expériences en laboratoire prendrait beaucoup trop de temps et serait beaucoup trop coûteuse. Les analyses stochastiques, en revanche, peuvent être réalisées aussi souvent que nécessaire - et de manière beaucoup plus économique.
Les matériaux recyclables doivent être aussi purs que possible et présenter des propriétés souhaitables
La manière dont les minéraux artificiels souhaités se forment peut être influencée principalement par le processus de refroidissement après la fusion. "Si le laitier refroidit plus lentement, les atomes et les ions se déplacent et ont le temps de former des cristaux. Il en résulte des minéraux plus grands avec des structures différentes", explique le Dr Furat. "Les cristaux plus compacts peuvent alors se détacher plus facilement du laitier refroidi. En principe, l'ensemble du processus peut être optimisé : de la fusion et du refroidissement au concassage et à la séparation des matériaux précieux. "Nous voulons ajuster ces trois étapes de manière à ce qu'elles soient rentables et que les produits recyclables qui en résultent soient aussi purs que possible et présentent des propriétés souhaitables", ajoute le professeur Volker Schmidt, également de l'Institut de stochastique. "Un processus de recyclage optimisé est certainement moins coûteux que l'importation de matières premières d'Amérique du Sud", est convaincu M. Schmidt.
Les chercheurs d'Ulm modélisent le comportement des matériaux à l'aide d'images microscopiques en 3D prises avant et après le processus de recyclage. Ces données fournissent des informations sur la structure interne des scories et constituent la base de travail des mathématiciens. "Nous pouvons les étudier de manière multidimensionnelle dans le modèle stochastique et constater, par exemple, que plus les minéraux artificiels sont gros, plus leurs formes sont différentes", explique Orkun Furat. Les mathématiciens d'Ulm ont également pour tâche de réduire les ensembles de données complexes à une représentation compréhensible. Le professeur Schmidt résume la situation : "Nous pouvons rendre l'optimisation du recyclage des batteries plus efficace grâce à des méthodes mathématiques - c'est la force des mathématiques.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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