تحضير سهل لألياف نانوية وظيفية بالإيميدازول لإزالة الكوبالت من بطاريات الليثيوم-أيون المستهلكة

تحويل البطاريات القديمة إلى مناجم حضرية

تعمل حياة اليوم الحديثة ببطاريات الليثيوم-أيون، من الهواتف إلى السيارات الكهربائية. عندما تتعطل هذه البطاريات، قد تتسرّب منها معادن سامة—لكنها أيضاً غنية بعناصر ثمينة مثل الكوبالت. تستكشف هذه الدراسة مادة مرشح جديدة مصنوعة من ألياف بلاستيكية فائقة النحافة مزينة بجزيئات صغيرة على شكل حلقات. معاً، تعمل هذه التركيبة كإسفنجة ذكية يمكنها سحب الكوبالت من سوائل النفايات المعقّدة المأخوذة من البطاريات المستخدمة، مما يساعد على جعل إعادة تدوير البطاريات أنظف وأكثر كفاءة.

لماذا الكوبالت مهم في عالم يعمل بالبطاريات

مع ارتفاع أعداد المركبات الكهربائية والأجهزة المحمولة، يزداد أيضاً ركام البطاريات المستهلكة. إذا أُلقِيَت هذه البطاريات ببساطة، فقد تلوث المعادن مثل الكوبالت التربة والمياه. ومع ذلك، فإن تلك المعادن نفسها مكلفة ومحدودة، مما يجعل البطاريات القديمة نوعاً من الخام المُصنَّع، أو «مناجم حضرية». يُعد استرداد الكوبالت أمراً بالغ الأهمية لأنه نادر ومكلف ومركزي في تصميمات بطاريات شائعة عديدة. يمكن لطرق التدوير الحالية فصل المعادن، لكنها غالباً ما تتطلب كميات كبيرة من المواد الكيميائية، أو تعمل ببطء، أو تواجه صعوبة في انتقاء الكوبالت من معادن مشابهة مثل الليثيوم والنيكل والمنغنيز. هناك حاجة متزايدة إلى مواد أذكى يمكنها كل من ظبط كمية كبيرة من الكوبالت وتجاهل معظم المعادن الأخرى.

بناء مرشح ذكي من ألياف نحيفة كالخيط

ركز الباحثون على الألياف النانوية—خيوط بلاستيكية أرفع آلاف المرات من شعرة الإنسان—التي تشكل حصيرة مسامية. بدأوا ببلمرة شائعة تُدعى بولي أكريلونيتريل، سهلة السحب إلى صفائح ليفية وتُستخدم بالفعل في المرشحات. بمفردها، تكاد هذه المادة لا تتفاعل مع الكوبالت. حوّلها الفريق بإضافة مجموعات كيميائية خاصة على خطوتين بسيطتين. أولاً، أرفقوا «أذرعاً» مرنة غنية بذرات النيتروجين. ثم ثبتوا وحدات صغيرة على شكل حلقات تُدعى الإيميدازول على تلك الأذرع. تحتوي هذه الحلقات على ذرات نيتروجين جيدة بشكل خاص في الارتباط بأيونات الكوبالت. أكدت المجاهر والتحليل الطيفي أن الألياف ظلت متماسكة، وأصبحت أكثر خشونة ومسامية، وتمت تغطيتها بشكل متساوٍ بمواقع غنية بالنيتروجين يمكن أن تعمل كمحطات ربط للكوبالت.

كيف تلتقط الألياف الجديدة الكوبالت وتثبته

عندما وُضعت حصيرة الألياف المعدلة في ماء يحتوي على كوبالت مذاب، امتصت المعدن بسرعة واحتفظت بكمية كبيرة نسبة إلى وزنها. أظهرت الاختبارات التفصيلية أن الامتزاز اتبع نمطاً يتسق مع طبقة واحدة من أيونات الكوبالت تغطي مجموعة من مواقع الربط المتكافئة على سطح الألياف، مع تحميل أقصى يقارب 95 ميليغراماً من الكوبالت لكل غرام من المادة. وصلت العملية إلى معظم سعتها خلال بضع ساعات وتوافقت مع نماذج تُعزى فيها السرعة إلى الترابط الكيميائي—بدلاً من الالتصاق السطحي البسيط. أشارت قياسات الحرارة وعوامل أخرى إلى أن أيونات الكوبالت تتخلى عن جزء من غلافها المائي وتشكل معقدات مستقرة مع ذرات النيتروجين في حلقات الإيميدازول والروابط الكيميائية المجاورة، مُطلِقةً ماءً ومتخذة ارتباطاً أكثر تنظيماً مع السطح الليفي.

اختيار الكوبالت على حساب الليثيوم والثبات لاستخدامات متعددة

تتمثل إحدى التحديات الرئيسية في إعادة تدوير البطاريات الحقيقية في انتقاء الكوبالت من خليط يحتوي أيضاً على قدر كبير من الليثيوم. في اختبارات مقارنة، فضلت الألياف النانوية الجديدة الكوبالت بشدة: امتصت تقريباً عشرين مرة من الكوبالت مقارنة بالليثيوم من مخاليط شبيهة بتلك الناتجة عند إذابة البطاريات في حمض، وكان عامل الانتقائية المحسوب للكوبالت مقابل الليثيوم عالياً جداً. بعد أن امتلأت الألياف بالكوبالت، كان غسيل حمضي خفيف كافياً لنزع الكوبالت وتجديد المادة. حتى بعد ست دورات من الاستخدام والتنظيف، احتفظت الألياف بأكثر من أربعة أخماس سعتها الأصلية. تجعل هذه المتانة، إلى جانب ارتفاع الامتزاز والتفضيل القوي للكوبالت، المادة واعدة للاستخدام المتكرر في مرشحات تتدفق خلالها السوائل أو في أعمدة معبأة.

خطوة نحو استخدام أنظف ودائري للبطاريات

بعبارات يومية، تُظهر الدراسة طريقة لتحويل مرشح بلاستيكي عادي إلى «مغناطيس كوبالت» شديد الانتقائية باستخدام كيمياء بسيطة وقابلة للتوسع. عبر دمج التدفق السريع والمساحة السطحية الكبيرة لحصائر الألياف النانوية مع جزيئات حلقية تحب بطبيعتها التمسك بالكوبالت، أنشأ الباحثون أداة يمكن أن تساعد في استرداد هذا المعدن الحرج من تدفقات نفايات البطاريات المعقدة. إذا تم تكييفها وتجريبها مع سوائل على مقياس مصنعي حقيقي، فقد تدعم مرشحات ذكية مماثلة اقتصاد بطاريات أكثر دائرية، حيث تُحجز المعادن القيّمة ويُعاد استخدامها بدلاً من ضياعها في مدافن النفايات.

الاستشهاد: Sun, H., Shi, S., Li, Z. et al. Facile Preparation of imidazole-functionalized nanofibers for Cobalt removal from spent lithium-ion batteries. Sci Rep 16, 6884 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38276-2

الكلمات المفتاحية: إعادة تدوير البطاريات, استرداد الكوبالت, مرشحات الألياف النانوية, معالجة مياه الصرف, المعادن الحرجة