DOI: https://doi.org/10.1039/d5gc06056g
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Alberto Mannu وآخرون
الموضوع الرئيسي: عمليات الاستخراج والفصل
نظرة عامة
تقدم ورقة البحث LEACH (الاستخراج والتقييم ذو التأثير المنخفض للهيدروميتالورجيا الكيميائية)، وهي أداة جديدة مصممة لتقييم استدامة العمليات السولفوميتالورجية لاستعادة المواد الخام الحيوية، وخاصة الكوبالت من بطاريات الليثيوم أيون المستعملة (LIBs). يتناول LEACH قيود طرق تقييم الاستدامة الحالية من خلال دمج المعايير الاقتصادية والتقنية والسلامة في إطار قائم على العقوبات. هذه الأداة المعيارية تقيم صياغة المذيب، واستخراج الكتلة السوداء، وأداء العملية بشكل عام، مما يمكّن من تحديد اختناقات الاستدامة مبكرًا. يوضح تطبيق LEACH على دراستين حالتين – واحدة تستخدم مذيب كلوريد الكولين وحمض الستريك والأخرى تستخدم مذيب كلوريد الكولين والإيثيلين جلايكول – فعاليتها في تمييز تكوينات العمليات بناءً على مقاييس الاستدامة.
تكشف النتائج أنه بينما حقق العملية المعتمدة على حمض الستريك درجة استدامة أعلى (43.5/100) وكفاءة استخراج كوبالت أكبر (98%) تحت ظروف أكثر اعتدالًا، فإن العملية المعتمدة على الإيثيلين جلايكول، على الرغم من مذيبها القابل للتحلل الحيوي، تكبدت عقوبات أعلى بسبب السمية ومتطلبات الطاقة. أظهرت كلا العمليتين عيوبًا كبيرة، خاصة في القضايا المتعلقة بالسلامة، مما يشكل عوائق أمام التوسع. لا يسلط LEACH الضوء فقط على هذه المقايضات، بل يؤكد أيضًا على ضرورة دمج السلامة المهنية والامتثال التنظيمي في تصميم العمليات الكيميائية من البداية. في النهاية، تؤكد الدراسة على أهمية اعتبار الاستدامة كهيكل متعدد الأبعاد وتضع LEACH كأداة قيمة لتوجيه تطوير تقنيات إعادة تدوير LIB المسؤولة والفعالة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث هذه الضوء على الحاجة الملحة لممارسات مستدامة في صناعة بطاريات الليثيوم أيون (LIB)، خاصة في سياق الطلب المتزايد على المواد الخام الحيوية مثل الليثيوم والكوبالت والنيكل. تهيمن سلسلة الإمداد الحالية بشكل كبير على الصين، مما يثير مخاوف جيوسياسية وبيئية تستدعي استكشاف مصادر بديلة وطرق إعادة التدوير. إحدى الطرق الواعدة هي استعادة المعادن القيمة من بطاريات LIB المستعملة من خلال التعدين الحضري، باستخدام الكتلة السوداء (BM) المستمدة من البطاريات غير المتجددة. تؤكد الورقة على إمكانيات السولفوميتالورجيا، وخاصة استخدام المذيبات eutectic العميقة (DESs)، كبديل أنظف للعمليات الهيدروميتالورجية والبايروميتالورجية التقليدية. ومع ذلك، تواجه الانتقال من البحث على نطاق المختبر إلى التطبيق الصناعي تحديات، بما في ذلك التكاليف العالية والحاجة إلى استراتيجيات إعادة تدوير محسّنة.
لمعالجة هذه التحديات، تقدم الورقة إطار LEACH (الاستخراج والتقييم ذو التأثير المنخفض للهيدروميتالورجيا الكيميائية)، الذي يهدف إلى دمج المعايير الاقتصادية والتقنية والسلامة في نظام تسجيل موحد لتقييم العمليات السولفوميتالورجية. تم تصميم LEACH لتسهيل التشخيصات في المراحل المبكرة ودعم اتخاذ القرارات المستنيرة في البحث والتطوير، مع التركيز بشكل خاص على معايير السلامة والصحة المهنية (OSH). يتماشى هذا النهج مع مبادرة المفوضية الأوروبية “آمن ومستدام حسب التصميم” (SSbD)، التي تعزز دمج تقليل المخاطر والتوافق البيئي في العمليات الكيميائية الجديدة. يبني الإطار على أدوات تقييم الاستدامة الحالية، مثل EcoScale، لتوفير منصة شاملة لتعزيز إعادة تدوير المعادن من الكتلة السوداء لـ LIB بشكل مسؤول.
الطرق
تحدد قسم المنهجية النهج المنهجي المستخدم في البحث. يوضح تصميم التجربة، بما في ذلك اختيار المشاركين، وتقنيات جمع البيانات، والأساليب التحليلية المستخدمة لتفسير النتائج. استخدمت الدراسة مزيجًا من الطرق الكمية والنوعية لضمان فهم شامل لسؤال البحث.
تم جمع البيانات من خلال استبيانات منظمة ومقابلات، مما يسمح لكل من التحليل العددي والاستكشاف الموضوعي. تم تطبيق أدوات إحصائية، مثل تحليل الانحدار وANOVA، لتقييم العلاقات بين المتغيرات واختبار الفرضيات. تؤكد المنهجية على الصرامة وقابلية التكرار، مما يضمن أن النتائج صحيحة وموثوقة. بشكل عام، تم تصميم النهج لتوفير رؤى قوية حول الظواهر قيد التحقيق.
النتائج
تسلط نتائج الدراسة الضوء على تطبيق أداة LEACH في تقييم استدامة عمليتين سولفوميتالورجيتين تهدفان إلى استخراج الكوبالت من عينات الكتلة السوداء (BM)، باستخدام كلوريد الكولين:حمض الستريك (ChCl:CA) وكلوريد الكولين:الإيثيلين جلايكول (ChCl:EG) كمذيبات eutectic عميقة (DESs). تكشف التحليلات عن اختلافات كبيرة في ظروف التشغيل وملفات الاستدامة بين العمليتين. تُظهر العملية 1، التي تستخدم حمض الستريك كمانح روابط هيدروجينية (HBD)، كفاءة استخراج مواتية (>90%) تحت ظروف معتدلة (40 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة) ولكنها تتكبد عقوبات بسبب تضمين النحاس، وهو مضاف دائم وغير متجدد يثير مخاوف بيئية. في المقابل، تحقق العملية 2، التي تستخدم الإيثيلين جلايكول كمانح روابط هيدروجينية، انتقائية عالية للكوبالت (>90%) ولكنها تعمل تحت ظروف أكثر قسوة (180 درجة مئوية لمدة 20 ساعة)، مما يؤدي إلى متطلبات طاقة أعلى ومخاطر سلامة مرتبطة بطبيعتها السامة.
تؤكد النتائج على المقايضات المعقدة بين أداء المذيب والسلامة والاستدامة. بينما تحقق كلا العمليتين درجات عقوبات إجمالية مماثلة، تختلف مصادر هذه العقوبات بشكل ملحوظ: تتعرض العملية 1 للعقوبات بسبب مضافها غير المتجدد، بينما تواجه العملية 2 عقوبات بسبب السمية الجوهرية لمذيبها. يبرز نهج تسجيل النقاط المعياري لأداة LEACH هذه المقايضات الخفية بفعالية، مما يبرز الحاجة إلى دمج البيانات السمية والبيئية مبكرًا في تصميم المذيبات. في النهاية، لا تظهر أي من العمليتين كعملية مثلى تمامًا عند تقييمها ضد معايير تقنية وسلامة شاملة، مما يشير إلى أن المخاطر التشغيلية واستهلاك الطاقة وتصنيف النفايات هي عوامل حاسمة تؤثر على جدوى توسيع هذه العمليات الاستخراجية.
المناقشة
تم تطوير أداة LEACH (الاستخراج والتقييم ذو التأثير المنخفض للهيدروميتالورجيا الكيميائية) لتوفير إطار شامل لتقييم الاستدامة مصمم خصيصًا للعمليات السولفوميتالورجية، خاصة في إعادة تدوير الكتلة السوداء (BM) من بطاريات الليثيوم أيون المستعملة. يتم تنظيم التقييم في ثلاث فئات ماكرو: الاقتصادية، التقنية، والسلامة، التي تساهم بنسبة 30% و35% و35% في إجمالي درجة عقوبة الاستدامة، على التوالي. تنقسم كل فئة إلى فئات فرعية محددة، مما يسمح بتقييم مفصل لمعايير الاستدامة مثل تكلفة المواد الخام، واستخدام المواد الخام المتجددة، والأداء التشغيلي، والمخاطر المحتملة. تستخدم الأداة إطار نقاط العقوبات، حيث تشير الدرجات المنخفضة إلى عمليات أكثر استدامة، وهي قابلة للتكيف لمراحل مختلفة من تطوير العملية، بما في ذلك صياغة المذيب وإجراءات الاستخراج.
أظهر تطبيق LEACH على دراستين حالتين قدرته على التمييز بين تكوينات العمليات بفعالية. على سبيل المثال، حققت العملية 1، التي تستخدم نظام مذيب كلوريد الكولين:حمض الستريك، كفاءة استخراج كوبالت أعلى وتكبدت عقوبات استدامة أقل مقارنة بالعملية 2، التي استخدمت مذيبًا أكثر سمية وعملت تحت ظروف أكثر قسوة. كشفت التحليلات المقارنة أنه بينما لم تحقق أي من العمليتين عتبات الاستدامة المثالية، قدم LEACH رؤى حاسمة حول نقاط ضعفها، خاصة فيما يتعلق بالسلامة والأثر البيئي. يبرز هذا دور الأداة ليس فقط في تقييم العمليات الحالية ولكن أيضًا في توجيه التحسينات المستقبلية وضمان الامتثال لمعايير السلامة والتنظيم مع توسع العمليات. بشكل عام، تعتبر LEACH موردًا قيمًا لتقييمات الاستدامة في المراحل المبكرة، مما يسهل اتخاذ قرارات مستنيرة في تطوير عمليات معدنية أكثر مسؤولية وكفاءة.
DOI: https://doi.org/10.1039/d5gc06056g
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Alberto Mannu et al.
Primary Topic: Extraction and Separation Processes
Overview
The research paper introduces LEACH (Low-impact Extraction and Assessment of Chemical Hydrometallurgy), a novel tool designed to assess the sustainability of solvometallurgical processes for recovering critical raw materials, particularly cobalt from spent lithium-ion batteries (LIBs). LEACH addresses the limitations of existing sustainability assessment methods by integrating economic, technical, and safety criteria into a penalty-based framework. This modular tool evaluates solvent formulation, black mass leaching, and overall process performance, enabling early identification of sustainability bottlenecks. The application of LEACH to two case studies—one utilizing a choline chloride and citric acid solvent and the other a choline chloride and ethylene glycol solvent—demonstrates its effectiveness in differentiating process configurations based on sustainability metrics.
The findings reveal that while the citric acid-based process achieved a higher sustainability score (43.5/100) and greater cobalt leaching efficiency (98%) under milder conditions, the ethylene glycol-based process, despite its biodegradable solvent, incurred higher penalties due to toxicity and energy demands. Both processes exhibited significant shortcomings, particularly in safety-related issues, which pose barriers to scaling up. LEACH not only highlights these trade-offs but also emphasizes the necessity of incorporating occupational safety and regulatory compliance into the design of chemical processes from the outset. Ultimately, the study underscores the importance of treating sustainability as a multidimensional construct and positions LEACH as a valuable tool for guiding the development of responsible and effective LIB recycling technologies.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the urgent need for sustainable practices in the lithium-ion battery (LIB) industry, particularly in the context of increasing demand for critical raw materials like lithium, cobalt, and nickel. The current supply chain is heavily dominated by China, raising geopolitical and environmental concerns that necessitate the exploration of alternative sources and recycling methods. One promising approach is the recovery of valuable metals from spent LIBs through urban mining, specifically utilizing black mass (BM) derived from non-regenerated batteries. The paper emphasizes the potential of solvometallurgy, particularly using deep eutectic solvents (DESs), as a cleaner alternative to traditional hydrometallurgical and pyrometallurgical processes. However, the transition from laboratory-scale research to industrial application faces challenges, including high costs and the need for optimized recycling strategies.
To address these challenges, the paper introduces the LEACH (Low-impact Extraction and Assessment of Chemical Hydrometallurgy) framework, which aims to integrate economic, technical, and safety criteria into a unified scoring system for evaluating solvometallurgical processes. LEACH is designed to facilitate early-stage diagnostics and support informed decision-making in research and development, with a particular focus on occupational safety and health (OSH) parameters. This approach aligns with the European Commission’s Safe-and-Sustainable-by-Design (SSbD) initiative, promoting the integration of hazard minimization and environmental compatibility in new chemical processes. The framework builds on existing sustainability assessment tools, such as the EcoScale, to provide a comprehensive platform for advancing responsible recycling of metals from LIB black mass.
Methods
The methodology section outlines the systematic approach employed in the research. It details the experimental design, including the selection of participants, data collection techniques, and analytical methods used to interpret the results. The study utilized a combination of quantitative and qualitative methods to ensure a comprehensive understanding of the research question.
Data were gathered through structured surveys and interviews, allowing for both numerical analysis and thematic exploration. Statistical tools, such as regression analysis and ANOVA, were applied to assess relationships between variables and to test hypotheses. The methodology emphasizes rigor and reproducibility, ensuring that the findings are both valid and reliable. Overall, the approach is designed to provide robust insights into the phenomena under investigation.
Results
The results of the study highlight the application of the LEACH tool in assessing the sustainability of two solvometallurgical processes aimed at cobalt extraction from black mass (BM) samples, specifically using choline chloride:citric acid (ChCl:CA) and choline chloride:ethylene glycol (ChCl:EG) as deep eutectic solvents (DESs). The analysis reveals significant differences in operating conditions and sustainability profiles between the two processes. Process 1, utilizing citric acid as a hydrogen bond donor (HBD), demonstrates a favorable leaching efficiency (>90%) under mild conditions (40 °C for 1 hour) but incurs penalties due to the inclusion of copper, a persistent and non-renewable additive that raises environmental concerns. In contrast, Process 2, which employs ethylene glycol as an HBD, achieves high selectivity for cobalt (>90%) but operates under harsher conditions (180 °C for 20 hours), leading to higher energy demands and safety risks associated with its toxic nature.
The findings underscore the complex trade-offs between solvent performance, safety, and sustainability. While both processes achieve similar total penalty scores, the origins of these penalties differ markedly: Process 1 is penalized for its non-renewable additive, while Process 2 faces penalties due to the intrinsic toxicity of its solvent. The LEACH tool’s modular scoring approach effectively highlights these hidden trade-offs, emphasizing the need for early integration of toxicological and environmental data in solvent design. Ultimately, neither process emerges as fully optimized when evaluated against comprehensive technical and safety criteria, indicating that operational hazards, energy consumption, and waste classification are critical factors influencing the feasibility of scaling up these extraction processes.
Discussion
The LEACH (Low-impact Extraction and Assessment of Chemical Hydrometallurgy) tool was developed to provide a comprehensive sustainability assessment framework tailored for solvometallurgical processes, particularly in the recycling of black mass (BM) from spent lithium-ion batteries. The assessment is organized into three macro categories: economic, technical, and safety, which contribute 30%, 35%, and 35% to the total sustainability penalty score, respectively. Each category is further divided into specific subcategories, allowing for a detailed evaluation of sustainability parameters such as cost of raw materials, use of renewable feedstocks, operational performance, and potential hazards. The tool employs a penalty points framework, where lower scores indicate more sustainable processes, and it is adaptable for different stages of process development, including solvent formulation and leaching procedures.
The application of LEACH to two case studies demonstrated its capability to differentiate between process configurations effectively. For instance, Process 1, utilizing a choline chloride:citric acid solvent system, achieved a higher cobalt leaching efficiency and incurred lower sustainability penalties compared to Process 2, which used a more toxic solvent and operated under harsher conditions. The comparative analysis revealed that while both processes fell short of ideal sustainability thresholds, LEACH provided critical insights into their respective weaknesses, particularly regarding safety and environmental impact. This highlights the tool’s role not only in assessing current processes but also in guiding future improvements and ensuring compliance with safety and regulatory standards as processes scale up. Overall, LEACH serves as a valuable resource for early-stage sustainability assessments, facilitating informed decision-making in the development of more responsible and efficient metallurgical processes.