Till innehåll på sidan

Exploring cellulose as a biomacromolecule for enhanced battery metal ion recovery/recycling

Tid: Fr 2023-06-09 kl 14.00

Plats: D3, Lindstedtsvägen 5, Stockholm

Språk: Engelska

Ämnesområde: Fiber- och polymervetenskap

Respondent: Billy W. Hoogendoorn , Polymera material, Wallenberg Wood Science Center, Polymera material

Opponent: Professor Aji Mathew, Stockholm University

Handledare: Universitetslektor Richard Olsson, Polymera material; Universitetslektor Yuanyuan Li, Wallenberg Wood Science Center, Biokompositer; Professor Mikael S. Hedenqvist, Polymera material

QC 2023-05-17

Abstract

Denna avhandling fokuserar på effekten av att integrera nanocellulosa under kondensationen av metall-joner till antingen metalloxid-partiklar eller elektrodeponerad metall. Cellulosan erhölls som ca. 15-25 nm tjocka och 500 nm långa fibrer via syrahydrolys av bakteriell cellulosa, vilket resulterade i nanofibrer med en negativ ytladdning. Även positivt laddad nanocellulosa utforskades genom att substituera in katjoniska funktionella grupper på nanofiber-ytan.När det gäller bildandet av metalloxider så undersöktes effekten av den isolerade nanocellulosan på utfällningen av zinkjoner till zinkoxidpartiklar (ZnO) vid ultra-låga koncentrationer kring 0.01 % eller lägre. Resultaten pekade på att cellulosans närvaro resulterade i ca. 15 % högre reaktionsutbyten samt en minskning av partikelstorlekarna på upp till 50% vid en cellulosakoncentration av 0.01%. Reaktionskinetiken studerades och visade att cellulosans närvaro alltid ökade konsumtionshastigheten av zink-joner. I de fall när en stor del av de närvarande zinkjonerna konsumerades (>80%) inom reaktionens första 15 min, visade resultaten att den fortsatta tillväxten ströps i samband med nanocellulosans närvaro. Detta observerades i samband med syntesen av partiklar bestående av ZnO-flak, då en ökning från 81 till 95 % hindrade tillväxten av nano-stavar som annars hade bildats efter 15 min av reaktionens gång. Cellulosan utvärderades även i metallåtervinningsreaktioner av zink, kadmium och nickel via elektrodeponering.  Zink och kadmium, som i regel bildar separata och facetterade metallpartiklar, deponerade i form av stora dendriter när nanocellulosan var närvarande i elektrolyten. I fallet av kadmium sammanföll bildandet av dendriter med en ökning i utbytet med upp till 15%. När det gäller nickel, som alltid deponerades i form av ett jämt täckande lager utan facetterade ytor, resulterade närvaron av nanocellulosa inte i någon dendritisk tillväxt. Istället så ledde en liknande tillsats av negativt laddad nanocellulosa inte till någon påverkan på utbytet, medan en positivt laddad nanocellulosa minskade utbytet med upp till ca. 20 %. Temperaturen kunde användas styra tillväxten av dendriter i samband med zink-elektrodeponering. Medans zinkdendriter tenderade att bildas i närvaron av nanocellulosa vid 20 och 40°C, motverkades tillväxten av dendriter helt vid 60°, vilket återigen resulterade i att massiva och facetterade zinkpartiklar bildades.Forskning som fokuserar på att integrera nanocellulosa i metallåtervinning genom utfällningsreaktioner och elektrodeponering sammanfaller med FN:s mål kring hållbar utveckling, framförallt mål 12, som gäller en hållbar konsumtion och produktion, mål 1 som fokuserar på att motverka fattigdom, samt mål 13 som går in på att motverka klimatförändringar och dess påföljder. Användandet av nanocellulosa kan bidra till att utveckla hållbara konsumtions- och produktionsstrategier på ett sätt som reducerar avfall och minskar förbrukningen av naturliga resurser. Detta bidrar med att adressera utmaningarna med att möta den ökande efterfrågan på metaller som används i flertalet industriella applikationer, framförallt batteritillverkning. Skapandet av återvinningsstrategier som utnyttjar nanocellulosa skulle minska utvinningen och hanterandet av malmer, vilket i sig bidrar till en mer hållbar resurshantering samtidigt som nya jobbmöjligheter kan skapas genom utvecklandet av nya återvinningsstrategier. Användandet av nanocellulosa inom metallåtervinning kan dessutom bidra till att motverka klimatförändringar i och med att fler miljövänliga återvinningsstrategier kan utvecklas, något som kan minska det ekologiska fotavtrycket som tillkommer med mer konventionella återvinningsstrategier och en intensifierad utvinning via gruvindustrin. I överlag så demonstrerar användandet av nanocellulosa vid utfällning av metalloxider samt elektrodeponering av metall-joner möjligheterna till att utveckla innovativa och hållbara lösningar för resurshantering som i sig bidrar till att uppfylla flera av FN:s hållbarhetsmål.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-327014