Ανακύκλωση-αξιοποίηση χρήσιμων υλικών /μετάλλων από απόβλητα φωτοβολταικά κυψελών( Panles)

Θεοχάρης, Μηνάς; Theocharis, Minas

dc.contributor.author	Θεοχάρης, Μηνάς	el
dc.contributor.author	Theocharis, Minas	en
dc.date.accessioned	2021-03-08T12:03:06Z
dc.date.available	2021-03-08T12:03:06Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52981
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20679
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Φωτοβολταϊκά	el
dc.subject	Ανακύκλωση	el
dc.subject	Ανάκτηση	el
dc.subject	Απόβλητα	el
dc.subject	Ηλεκτρανάκτηση	el
dc.subject	Εκχύλιση	el
dc.subject	Καταβύθιση	el
dc.subject	Photovoltaics	en
dc.subject	Recycling	en
dc.subject	Waste	en
dc.subject	Electrowinning	en
dc.subject	Leaching	en
dc.subject	Pecipitation	en
dc.subject	Recovery	en
dc.title	Ανακύκλωση-αξιοποίηση χρήσιμων υλικών /μετάλλων από απόβλητα φωτοβολταικά κυψελών( Panles)	el
heal.type	masterThesis
heal.generalDescription	Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής ήταν να εκτελεστούν εργαστηριακές δοκιμές για τον προσδιορισμό βέλτιστων συνθηκών για την ανάκτηση του χρήσιμου μετάλλου Ag από απόβλητα φωτοβολταϊκών κυψελών 1ης γενιάς με υδρομεταλλουργική διεργασία και την ανάκτηση καθαρού wafer Si ή σκόνης Si προκειμένου το Si να μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί. Κύριος στόχος αυτής της προσπάθειας αποτελεί η ανάπτυξη περιβαλλοντικά φιλικών διεργασιών. Οι συνθήκες των πειραματικών δοκιμών επιλέχθηκαν με βάση τα προαναφερθέντα στη βιβλιογραφία (βλ ΚΕΦ 4) και με κριτήρια την μέγιστη εξοικονόμηση αντιδραστηρίων και την εκτέλεση των δοκιμών σε ήπιες συνθήκες. Το πειραματικό μέρος της διπλωματικής εκπονήθηκε στο εργαστήριο Επιστήμης και Τεχνολογίας Προστασίας Περιβάλλοντος στη Μεταλλουργία & Τεχνολογία υλικών της Σχολής Μηχανικών Μεταλλείων-Μεταλλουργών υπό την καθοδήγηση των κκ. Λ. Ζουμπουλάκη, Καθηγητή ΕΜΠ, Π. Τσακιρίδη, Επικ. Καθηγητή ΕΜΠ, και Ε. Ρεμουντάκη, Καθηγήτριας ΕΜΠ και Δ/ντριας του Εργαστηρίου, και την επίβλεψη της κ. Ε. Ρεμουντάκη στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος «ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΜΕ ΣΤΟΧΟ ΤΗΝ ΜΕΓΙΣΤΗ ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΥΛΙΚΩΝ (ΦΩΤΟΜΕΓΑ/PHOTOREC)» (Kωδικός προγράμματος Τ1ΕΔΚ-04249), με επιστημονικό υπεύθυνο τον Καθηγητή της Σχολής Χημικών Μηχανικών του ΕΜΠ κ.Γεράσιμο Λυμπεράτο. Το πρώτο στάδιο μιας υδρομεταλλουργικής διεργασίας περιλαμβάνει τη διαλυτοποίηση των μετάλλων από το στερεό απόβλητο με ένα ή περισσότερα εκχυλιστικά μέσα που είναι συνήθως ανόργανα οξέα ή/και βάσεις. Ο πρώτος στόχος στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής ήταν να αναπτυχθεί, μέσω πειραματικών δοκιμών, διεργασία ποσοτικής εκχύλισης των μετάλλων η οποία να οδηγεί ταυτόχρονα και στον καθαρισμό του πυριτίου. Η απομάκρυνση του αντι-ανακλαστικού στρώματος από το στερεό υπόλειμμα των εκχυλίσεων είναι απαραίτητη για τον τελικό καθαρισμό του πυριτίου. Η πειραματική διερεύνηση των συνθηκών απομάκρυνσης του αντι-ανακλαστικού στρώματος αποτέλεσε επίσης στόχο της παρούσας εργασίας. Τα μέταλλα θα πρέπει να διαχωριστούν από τα διαλύματα των εκχυλίσεων και να παραληφθούν χρήσιμα προϊόντα και αυτό αποτελεί αντικείμενο του δεύτερου σταδίου της υδρομεταλλουργικής διεργασίας. Μετά από την ποσοτική εκχύλιση του Ag από το στερεό και την παραλαβή του στο διάλυμα, ακολουθεί ο διαχωρισμός του από το διάλυμα της εκχύλισης συνήθως με τη μορφή στερεού. Στο σημείο αυτό ενδιαφέρει να επιτευχθεί η λήψη όσο το δυνατόν καθαρότερου προϊόντος σε όσο το δυνατόν λιγότερα στάδια και με βιώσιμη διεργασία. Ένας «εύκολος» τρόπος είναι η καταβύθιση του Ag με την μορφή στερεού AgCl το οποίο αποτελεί χρήσιμο προϊόν που μπορεί είτε να διατεθεί ως έχει είτε να μετατραπεί σε στοιχειακό άργυρο με περαιτέρω επεξεργασία. To Al που παραμένει στο όξινο διάλυμα της εκχύλισης μπορεί επίσης να παραληφθεί με καταβύθιση μετά από εξουδετέρωση του διαλύματος με τη μορφή Al(OH)3 το οποίο αποτελεί και αυτό χρήσιμο προϊόν. Τέλος, το εξουδετερωμένο υδατικό διάλυμα που απομένει μετά το διαχωρισμό του στερεού Al(OH)3 είναι απαλλαγμένο από μέταλλα και μπορεί να απορριφθεί με ασφάλεια. Συναντάται πολύ συχνά στην βιβλιογραφία η ηλεκτρανάκτηση του Ag από όξινα διαλύματα εκχύλισης ως δεύτερο στάδιο μιας υδρομεταλλουργικής διεργασίας. Λόγω του ότι το αργίλιο δεν ηλεκτρανακτάται, η παρουσία του στα διαλύματα εκχύλισης, που είναι και τα διαλύματα ηλεκτρόλυσης, δεν αναμένεται να αποτελεί πρόβλημα αν και είναι σε συγκέντρωση σχεδόν 10πλάσια του Ag (λόγω της αρχικής αναλογίας τους στις κυψέλες των Φ/Β). Επομένως, θα μπορούσαν να διερευνηθούν συνθήκες ηλεκτρανάκτησης του Ag. Τα ισχυρά όξινα διαλύματα που θα προκύπτουν μετά την ηλεκτρανάκτηση του αργύρου θα μπορούν να εξουδετερωθούν με ταυτόχρονη παραλαβή του αργιλίου με τη μορφή Al(OH)3. Στόχος της παρούσας διπλωματικής ήταν, μέσω πειραματικών δοκιμών, να προσδιοριστούν συνθήκες υπό τις οποίες έχουμε ποσοτική ανάκτηση χρήσιμων υλικών τόσο με διεργασία εκχύλισης και διαδοχικών καταβυθίσεων όσο και με διεργασία που περιλαμβάνει, μετά την εκχύλιση/τις εκχυλίσεις, ένα στάδιο ηλεκτρανάκτησης για την παραλαβή μεταλλικού αργύρου. Τέλος, η διερεύνηση ανάκτησης του Al από τα διαλύματα των εκχυλίσεων αποτέλεσε επίσης στόχο για μια επιτυχημένη διεργασία.	el
heal.classification	Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών	el
heal.classification	Ανακύκλωση Υλικών	el
heal.classification	Περιβαλλοντιική Μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-03-02
heal.abstract	Στη μακροπρόθεσμη στρατηγική της Ευρωπαϊκής Ένωσης για το 2050 για την προσαρμογή στην κλιματική αλλαγή υιοθετήθηκαν μέτρα, για την επίτευξη της μετάβασης σε μια οικονομία «χαμηλού άνθρακα», όπως η αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων από ανανεώσιμες πηγές κατά 30% έως το 2030. Η χρήση ηλιακής ενέργειας η οποία αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό ποσοστό των ανανεώσιμων πηγών θα αυξηθεί τις επόμενες 2 δεκαετίες κατά πάνω από 40 GW/year. Η Ευρώπη κατέχει τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύ, 70% της συνολικής παγκόσμια. Από το 2012, τα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) ταξινομούνται μεταξύ των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών αποβλήτων (WEEE) τα οποία απαιτούν ειδική επεξεργασία στο τέλος του κύκλου ζωής τους. Οι ποσότητες των ήδη εγκατεστημένων Φ/Β και η αναμενόμενη αύξηση εκτιμώνται να αντιστοιχούν σε 9.5 εκατ. τόννους αποβλήτων ως το 2050. Οι σημαντικές ποσότητες που θα παραχθούν τα επόμενα χρόνια, ο περιβαλλοντικός αντίκτυπος λόγω εκχύλισης βαρέων μετάλλων κατά τη διάθεσή τους, και τα δυνητικά οφέλη από την ανάκτηση πολύτιμων (Ag), σπάνιων (In, Ge, Ga, Te) και ενεργοβόρων ως προς την παραγωγή τους μετάλλων υψηλής καθαρότητας (Si>99.9%), αποτελούν τους κύριους λόγους για ανάπτυξη βιώσιμων και περιβαλλοντικά φιλικών τεχνολογιών. Η ανάκτηση Si υψηλής καθαρότητας και άλλων μετάλλων αξίας αναμένεται να οδηγήσει σε εξοικονόμηση υλικών και μείωση κατανάλωσης ενέργειας και εκπομπών άνθρακα. Η παρούσα εργασία συνεισφέρει στην ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης υδρομεταλλουργικής διεργασίας για την ανάκτηση Ag και καθαρού κρυσταλλικού Si καθώς και άλλων χρήσιμων υλικών από Φ/Β απόβλητα 1ης γενιάς. Για την ανάπτυξη της διεργασίας, πραγματοποιήθηκε ένα πλήθος δοκιμών σε δείγματα Φ/Β αποβλήτων και μη χρησιμοποιημένων κυττάρων του εμπορίου. Αποδείχτηκε πειραματικά ότι το ΗΝΟ3 είναι κατάλληλο εκχυλιστικό μέσο για την ποσοτική εκχύλιση του Ag και του Al, σε ήπιες συνθήκες θερμοκρασίας περιβάλλοντος και για πυκνότητα πολφού 5%, σε συγκεντρώσεις από 3 Ν έως και 5 Ν με ταχύτερη εκχύλιση στην δεύτερη περίπτωση όπου, σε λειοτριβημένα δείγματα υλικών, ο Ag εκχυλίζεται ποσοτικά σε μισή ώρα και το Al σε 2 ώρες. H απομάκρυνση της αντι-ανακλαστικής επικάλυψης έγινε επιτυχώς με ΝaOH 10%. Η ολοκλήρωση των σταδίων της εκχύλισης των μετάλλων και της απομάκρυνσης της αντι-ανακλαστικής επικάλυψης απέδωσαν στερεό πυρίτιο απαλλαγμένο από τα υπολείμματα των μετάλλων. Τα διαλύματα της εκχύλισης των μετάλλων υποβλήθηκαν σε 2 διαφορετικές διεργασίες για το διαχωρισμό των μετάλλων και την παραλαβή χρήσιμων υλικών: 1. Διαδοχικές καταβυθίσεις: Ag ως AgCl και Al ως Al(OH)3 με ταυτόχρονη εξουδετέρωση του διαλύματος. 2. Ηλεκτρανάκτηση Ag, παραλαβή του υλικού της καθόδου και στη συνέχεια εξουδετέρωση του διαλύματος και καταβύθιση του Al ως Al(OH)3. Το στερεό στην κάθοδο κατά την ηλεκτρόλυση ευνοεί το σχηματισμό προϊόντων υδρόλυσης του Al. O Ag στο υλικό της καθόδου περιέχει προσμίξεις Al(OH)3 οι οποίες μειώνονται σημαντικά με μείωση της έντασης του ρεύματος από 0.48 σε 0.24 Α. Μέρος του διαλυτού Cu, όταν υπάρχει στα διαλύματα των εκχυλίσεων, ηλεκτρανακτάται μαζί με τον Ag ενώ μέρος του Pb καταβυθίζεται με τη μορφή υδροξειδίων. Υλικό που αποτελείται από Ag με πρόσμιξη Cu μπορεί να διατεθεί ως χρήσιμο. Τέλος, υπάρχει δυνατότητα παραλαβής του Al με H2SO4, ένα φθηνό εκχυλιστικό μέσο, πριν το στάδιο της εκχύλισης του Ag με HNO3, για αποφυγή σχηματισμού προϊόντων υδρόλυσης του Al κατά την ηλεκτρανάκτηση του Ag. Έτσι, από την παρούσα εργασία προκύπτει ότι είναι δυνατές τρεις εναλλακτικές: (α) Εκχύλιση ενός σταδίου με ΗΝΟ3 και διαχωρισμό των μετάλλων με διαδοχικές καταβυθίσεις. (β) Εκχύλιση ενός σταδίου με ΗΝΟ3, ηλεκτρανάκτηση Ag και καταβύθιση Al (γ) Εκχύλιση 2 σταδίων: Το πρώτο με H2SO4 για την εκχύλιση του Al και την παραλαβή του με καταβύθιση και το δεύτερο με ΗΝΟ3 για την εκχύλιση του Ag και την παραλαβή του με ηλεκτρανάκτηση.	el
heal.advisorName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.committeeMemberName	Τσακιρίδης, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτρης	el
heal.committeeMemberName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών. Τομέας Μεταλλευτικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	254 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false