النض بالموجات فوق الصوتية يُحدث تحولًا في إعادة تدوير البطاريات والتعدين الحضري
تزخر البطاريات المستعملة والنفايات الإلكترونية بمواد قيّمة مثل الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت، وهي مواد أساسية لتلبية الطلب المتزايد في قطاعَي الطاقة المتجددة والمركبات الكهربائية. ويُعد التعدين الحضري – وهو عملية استرداد هذه المعادن من البطاريات المستغنى عنها وغيرها من النفايات الإلكترونية – مسارًا واعدًا نحو الاقتصاد الدائري، إذ يقلل الحاجة إلى استخراج الخامات الأولية ويحد من النفايات. وتُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية رئيسية في هذا المجال، وقد أظهرت فوائد هائلة في تعزيز معدلات استرداد المعادن وتقليل أزمنة المعالجة وتحسين الاستدامة.
قوة المعالجة بالموجات فوق الصوتية في إعادة تدوير البطاريات والتعدين الحضري: نقلة نوعية في الاسترداد المستدام للموارد
تستكشف دراسة حديثة أجراها Canciani وآخرون (2024) تأثيرات التجويف فوق الصوتي – وهو موجات صدمية صغيرة تُنشئها موجات فوق صوتية عالية الشدة – في عملية النض لإعادة تدوير البطاريات. ويُظهر بحثهم أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية ليست مجرد تحسين محدود لإعادة التدوير التقليدية؛ بل إنها تُغيّر جذريًا كيفية تفاعل عملية إعادة التدوير مع مادة البطارية، مما يجعلها أسرع وأكثر كفاءة وأقل اعتمادًا على المواد الكيميائية القاسية.
اقرأ المزيد عن نتائج الدراسة أدناه!
يجري النض الحمضي المعزَّز بالموجات فوق الصوتية بمعدل أسرع باثنتي عشرة مرة من النض الحمضي التقليدي، بفضل التأثير الميكانيكي المفيد لانفجار فقاعات التجويف بالقرب من السطح. وتُحسّن هذه الظاهرة خلط المحلول الحمضي، مما يعزز خصائص النقل.
الصورة والدراسة: © Canciani وآخرون، 2024
جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UIP16000hdT يعالج بصورة موثوقة معلقات النفايات المحتوية على المعادن بمعدل معالجة مرتفع، مما يسهّل نض المعادن النفيسة والخامات.
كيف تعمل المعالجة بالموجات فوق الصوتية في إعادة تدوير البطاريات
في إعادة تدوير البطاريات المعتادة، تُذاب مواد المهبط (التي تحتوي على معادن قيّمة) في محلول حمضي، وهي عملية تُسمّى “النض”. ويتيح هذا النهج فصل المعادن واستردادها من البنية الصلبة للبطارية. لكن النض التقليدي يستغرق وقتًا طويلًا، إذ يتطلب غالبًا ساعات لتحقيق استرداد كبير للمعادن. كما يتطلب أحماضًا قوية ودرجات حرارة مرتفعة، مما يثير مخاوف بشأن الأثر البيئي.
وتُحدث المعالجة بالموجات فوق الصوتية تحولًا في هذه العملية بإدخال الموجات فوق الصوتية مباشرةً إلى محلول النض. ففي الدراسة التي نشرها Canciani وآخرون في 2024، اختبر الباحثون هذه التقنية باستخدام مادة بديلة تحاكي مادة البطارية، وهي أكسيد الليثيوم والكوبالت والنيكل والمنغنيز (NMC). ومن خلال تطبيق موجات فوق صوتية بتردد وسعة محددين، وجدوا أن التجويف فوق الصوتي يقلل زمن النض بأكثر من 80%. وانتقلت العملية من استغراق ساعات إلى بضع دقائق، مما يوفّر تحسينًا ثوريًا في الكفاءة.
دور المعالجة بالموجات فوق الصوتية في تعزيز النض: الأسس العلمية لانتقال الكتلة والسرعة
لا تقتصر المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تسريع النض؛ بل تُغيّر طريقة تفاعل المحلول الحمضي مع جسيمات البطارية. وتُنشئ الموجات فوق الصوتية عالية القدرة ملايين الفقاعات المجهرية التي تنهار بسرعة في المحلول، وهي ظاهرة تُعرف باسم التجويف. ويولّد هذا التأثير قوى موضعية شديدة تُفتّت الجسيمات السطحية وتزيد التفاعل بين الحمض والمعادن داخل مادة البطارية.
ووفقًا لـ Canciani وآخرين (2024)، تُحدث هذه العملية تأثيرين رئيسيين في مواد البطارية: فهي تزيد مسامية الجسيمات وتقلل حجمها، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في مساحة السطح. ومع زيادة مساحة السطح، يمكن للحمض أن يتفاعل مع المادة على نطاق أوسع، مما يسهّل النض الأسرع. ولاحظ المؤلفون أن حجم المسام في العينات المعالجة بالموجات فوق الصوتية ازداد بمقدار رتبة عشرية مقارنةً بالعينات المعالجة تقليديًا، مما يُنشئ مزيدًا من المسارات التي تتيح للحمض إذابة المحتوى المعدني.
صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للجسيمات في أوقات مختلفة من النض التقليدي (a–c) والنض بالموجات فوق الصوتية (d–f).
الصورة والدراسة: © Canciani وآخرون، 2024
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية للنض في إعادة تدوير البطاريات والتعدين الحضري.
النض بالموجات فوق الصوتية: تحسين خصائص النقل والخلط المجهري
تشير الدراسة أيضًا إلى أن التجويف فوق الصوتي لا يعزز التلامس السطحي فحسب، بل يُحسّن خصائص النقل بدرجة كبيرة أيضًا. ويعني ذلك أساسًا أن توزيع الحمض على جسيمات البطارية يصبح أكثر تجانسًا، إذ يضمن الخلط المجهري الناجم عن التجويف تعرّضًا متساويًا للحمض. ويؤدي هذا إلى بيئة تفاعل متجانسة، مما يتيح للحمض إذابة المعادن بفاعلية أكبر وبصورة أكثر انتظامًا.
ومن النتائج البارزة الأخرى أن فوائد التجويف فوق الصوتي تتجاوز تقليل حجم الجسيمات. فقد وجد الباحثون أن التجويف يغيّر آلية التفاعل بين الحمض والجسيمات، ويُرجَّح أن ذلك يعود إلى تحسين النقل عبر الطبقة الحدّية. وبعبارة بسيطة، يقلل التجويف سُمك الطبقة السائلة المحيطة بكل جسيم، مما يتيح إذابة المعادن بسرعة أكبر.
توزيعات أحجام الجسيمات بعد النض بالموجات فوق الصوتية والنض التقليدي
الصورة والدراسة: © Canciani وآخرون، 2024
فوائد للتعدين الحضري والاستدامة
تنطوي فاعلية المعالجة بالموجات فوق الصوتية في إعادة تدوير البطاريات على إمكانات هائلة لمستقبل التعدين الحضري والاسترداد المستدام للموارد. وتشير نتائج Canciani وآخرين (2024) إلى أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية ستحل محل الممارسات الضارة بالبيئة أو تقلل الاعتماد عليها من خلال:
- تقليل استخدام المواد الكيميائية: يتيح النض المعزَّز بالموجات فوق الصوتية استخدام مذيبات أكثر مراعاةً للبيئة، مثل حمض الأسيتيك، بدلًا من الأحماض الأشد قسوةً التي يتطلبها النض التقليدي عادةً.
- خفض متطلبات الطاقة: مع المعالجة بالموجات فوق الصوتية، يجري النض بسرعة في درجة حرارة الغرفة بدلًا من الحاجة إلى التسخين المطوّل، مما يقلل استهلاك الطاقة والانبعاثات.
- زيادة استرداد المواد: يؤدي تحسين التفاعل السطحي وتعزيز المسامية إلى تعظيم معدلات استرداد المعادن القيّمة، مما يجعل عملية إعادة التدوير مجدية اقتصاديًا وصديقة للبيئة.
تأثير أوسع في صناعة البطاريات
مع توسّع استخدام المركبات الكهربائية وتقنيات الطاقة المتجددة، يتصاعد الطلب على البطاريات، وبالتالي على المعادن الموجودة فيها. ويوفّر التعدين الحضري باستخدام إعادة التدوير المعزَّزة بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية وسيلةً لاسترداد هذه المعادن بصورة مستدامة، مما يقلل العبء البيئي للتعدين ويقدّم نهجًا ذا حلقة مغلقة لإنتاج البطاريات والتخلص منها.
وسيؤدي توسيع نطاق طرق إعادة التدوير القائمة على المعالجة بالموجات فوق الصوتية، وتحسين توليفات المذيبات، وتطوير تطبيق الموجات فوق الصوتية إلى تعزيز الكفاءة بدرجة أكبر. يسرّ Hielscher Ultrasonics أن توصي بالتكوين المثالي لجهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية العامل ضمن خط المعالجة لعملية النض لديك. تواصل معنا الآن!
- كفاءة عالية
- أحدث التقنيات
- الموثوقية والمتانة
- تحكم دقيق وقابل للضبط في العملية
- معالجة بالدفعات وضمن خط المعالجة
- لأي حجم
- برمجيات ذكية
- ميزات ذكية (مثل إمكانية البرمجة وتسجيل البيانات والتحكم عن بُعد)
- سهولة التشغيل وأمانه
- متطلبات صيانة منخفضة
- CIP (التنظيف في المكان)
التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صُنعت في ألمانيا
تشتهر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بأعلى معايير الجودة والتصميم. وتتيح المتانة وسهولة التشغيل دمج أجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بسلاسة في المنشآت الصناعية. وتتعامل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات الصعبة.
Hielscher Ultrasonics شركة حاصلة على شهادة ISO وتولي اهتمامًا خاصًا بأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. وبالطبع، تتوافق أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مع CE وتستوفي متطلبات UL وCSA وRoHs.
يقدّم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 إلى 150L | 3 إلى 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
تصنّع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المخبري والتجريبي والصناعي.
المؤلفات / المراجع
- Chiara Canciani, Elia Colleoni, Varaha P. Sarvothaman, Paolo Guida, William L. Roberts (2024): On the effect of cavitation on particles in leaching processes: implications to battery recycling. Environmental Advances, Volume 17, 2024.
- Wang, J.; Faraji, F.; Ghahreman, A. (2020): Effect of Ultrasound on the Oxidative Copper Leaching from Chalcopyrite in Acidic Ferric Sulfate Media. Minerals 2020, 10, 633.
- J.L Luque-Garcı́a, M.D Luque de Castro (2003): Ultrasound: a powerful tool for leaching. TrAC Trends in Analytical Chemistry, Volume 22, Issue 1, 2003. 41-47.
الأسئلة الشائعة
ما هي عملية النض؟
عملية النض هي طريقة تُستخدم لاستخلاص المعادن القيّمة من المواد الصلبة بإذابتها في مذيب سائل، عادةً ما يكون محلولًا حمضيًا. وتُفكّك هذه التقنية المصفوفة الصلبة، مما يتيح لأيونات المعادن الانتقال إلى المحلول، حيث يمكن بعد ذلك تنقيتها واستردادها. ويُستخدم النض على نطاق واسع في التعدين وإعادة التدوير لاسترداد المعادن من الخامات ومواد النفايات.
ما الفرق بين الاستخلاص والنض؟
يشير كل من الاستخلاص والنض إلى عمليات تُستخدم لفصل المواد القيّمة عن مادة صلبة، لكنهما يختلفان في الطرق والسياقات. ويشير الاستخلاص عمومًا إلى نطاق أوسع من التقنيات المستخدمة لإزالة مادة محددة، وغالبًا ما تُستخدم المذيبات لفصلها عن المكونات الأخرى، ويمكن أن يتضمن طرقًا فيزيائية أو كيميائية أو حرارية متنوعة. أما النض فهو نوع محدد من الاستخلاص يتضمن إذابة المعادن أو غيرها من المواد القابلة للذوبان من مادة صلبة إلى سائل، عادةً باستخدام محلول حمضي أو قلوي. ويُستخدم النض عادةً في عمليات التعدين واستخلاص الفلزات وإعادة التدوير. وبينما يمكن تطبيق الاستخلاص على مجموعة متنوعة من المواد، يتضمن النض تحديدًا الإزالة الانتقائية للمواد المذابة من المواد الصلبة باستخدام مذيبات سائلة.
ما المواد المعتادة المستخدمة في النض؟
تشمل المواد المعتادة المستخدمة في النض الأحماض والقلويات والمذيبات، بحسب المادة التي تجري معالجتها. وتشمل عوامل النض الشائعة الاستخدام:
- الأحماض:
- حمض الكبريتيك: يُستخدم غالبًا في استخلاص النحاس والنيكل واليورانيوم.
- حمض الهيدروكلوريك: يُستخدم في نض معادن مثل النحاس والذهب.
- حمض النتريك: يُستخدم عادةً في نض المعادن النفيسة، وخاصةً الذهب والفضة.
- حمض الأسيتيك: يُستخدم أحيانًا في عمليات النض الصديقة للبيئة أو القائمة على مواد عضوية.
- القلويات:
هيدروكسيد الصوديوم (الصودا الكاوية): يُستخدم في استخلاص الألومينا من خام البوكسيت أو في نض بعض المعادن مثل الذهب والزنك. - المذيبات:
- السيانيد: يُستخدم عادةً في تعدين الذهب والفضة لنض الذهب من الخام (المعالجة بالسيانيد).
- الأمونيا: تُستخدم في نض النحاس وغيره من المعادن الأساسية.
تساعد هذه المواد على إذابة معادن أو مواد معدنية محددة من الخامات أو مواد النفايات أو غيرها من المواد الصلبة، مما يسهّل استرداد المواد القيّمة.
تصنّع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء بأحجام تتراوح من الحجم المخبري إلى الحجم الصناعي.