Reciclaje de pilas más eficaz gracias a la modelización matemática
Recuperación de materias primas valiosas con menos esfuerzo
¿Cómo recuperar el mayor número posible de materias primas valiosas, como el litio, a partir de chatarra electrónica fundida? Esta pregunta está siendo examinada por un programa prioritario de la Fundación Alemana de Investigación (DFG) dedicado a la producción de minerales artificiales a medida mediante reciclaje metalúrgico, en el que participan matemáticos del Instituto de Estocástica de la Universidad de Ulm. Calculan cómo afectan al material reciclado distintos parámetros, como el proceso de enfriamiento o el de trituración. Con este trabajo, los matemáticos ayudan a optimizar el proceso, reduciendo los costes al disminuir la necesidad de costosos experimentos.
Las baterías de coche, los condensadores o los sensores usados suelen contener aún valiosas materias primas, como el litio. Este tipo de residuos electrónicos puede reciclarse de dos maneras: o bien se separan los componentes individuales mediante procesos mecánicos, o bien se funden todas las piezas. Esta última técnica tiene la ventaja sobre los procesos de separación mecánica de que permite recuperar incluso metales valiosos de baja concentración que, de otro modo, se perderían en el flujo de reciclado. En el crisol, el metal se hunde hasta el fondo, mientras que todos los materiales que deben separarse del metal, la escoria, se recogen en la capa superior. Durante mucho tiempo, esta escoria se trató como un residuo, pero contiene valiosas materias primas que cristalizan en los llamados minerales artificiales en un proceso de enfriamiento especialmente adaptado. Un equipo de matemáticos de Ulm, dirigido por el Dr. Orkun Furat y el Profesor Volker Schmidt, está investigando cómo se pueden recuperar estos minerales en el marco del programa prioritario de la DFG SPP 2315 "Minerales artificiales de ingeniería (EnAM): una herramienta geometalúrgica para reciclar elementos críticos de flujos de residuos". La red de investigación, con sus aproximadamente 25 proyectos individuales, existe desde 2022. La financiación acaba de ampliarse por otros tres años, con unos 268.000 euros destinados a Ulm. El SPP 2315 está coordinado por el profesor Urs Peuker en la TU Bergakademie Freiberg.
Lo más grandes posible, con una alta proporción de materiales reciclables y fáciles de descomponer: éstas son las características de los minerales perfectos que los investigadores esperan producir en la escoria para que luego puedan recuperarse fácilmente. Para predecir las condiciones en las que se forman de forma óptima los minerales artificiales, los investigadores del Instituto de Estocástica de la Universidad de Ulm trabajan codo con codo con ingenieros de procesos y metalúrgicos que llevan a cabo experimentos estandarizados de fusión y procesos de reciclado mecánico y proporcionan a los matemáticos una amplia gama de datos medidos reales. En particular, se trata de datos de imagen, es decir, imágenes microscópicas de la estructura de la escoria en distintos puntos de la cadena de procesos. El trabajo de los matemáticos de Ulm consiste en comprender el proceso, desarrollar modelos matemáticos y simular diferentes escenarios en el ordenador para optimizar el proceso. Llevaría demasiado tiempo y sería demasiado caro realizar miles de experimentos en el laboratorio. En cambio, los análisis estocásticos pueden realizarse tantas veces como sea necesario, y de forma mucho más económica.
Los materiales reciclables deben ser lo más puros posible y tener propiedades deseables
El modo en que se forman los minerales artificiales deseados puede verse influido principalmente por el proceso de enfriamiento tras la fusión. "Si la escoria se enfría más lentamente, los átomos e iones se mueven de un lado a otro y tienen tiempo de formar cristales. El resultado son minerales más grandes con estructuras diferentes", explica el Dr. Furat. "Los cristales más compactos pueden desprenderse más fácilmente de la escoria enfriada". En principio, se puede optimizar todo el proceso: desde la fusión y el enfriamiento hasta la trituración y la separación de los materiales valiosos. "Queremos ajustar estos tres pasos para que sean rentables y los materiales reciclables resultantes sean lo más puros posible y tengan las propiedades deseables", añade el profesor Volker Schmidt, también del Instituto de Estocástica. "Un proceso de reciclado optimizado es sin duda menos caro que importar materias primas de Sudamérica", está convencido Schmidt.
Los investigadores de Ulm están modelando el comportamiento de los materiales mediante imágenes de microscopía 3D tomadas antes y después del proceso de reciclado. Los datos proporcionan información sobre la estructura interna de la escoria y son la base de trabajo de los matemáticos. "Podemos considerarlo de forma multidimensional en el modelo estocástico y ver, por ejemplo, que cuanto más grandes se hacen los minerales artificiales, más diferentes son sus formas", afirma Orkun Furat. Los matemáticos de Ulm también tienen la tarea de reducir los complejos conjuntos de datos a una representación comprensible. El profesor Schmidt resume: "Podemos hacer más eficiente la optimización del reciclado de pilas utilizando métodos matemáticos: ése es el poder de las matemáticas".
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