الموجات فوق الصوتية لإعادة تدوير بطاريات أيونات الليثيوم

• بدأت بطاريات أيونات الليثيوم المستخدمة في السيارات الكهربائية تدخل السوق الجماهيرية للتو، ومع ذلك يجب تطوير قدرات إعادة التدوير.
• الاستخلاص بالنض بالموجات فوق الصوتية تقنية فعالة وصديقة للبيئة لاسترداد معادن مثل Li وMg وCo وNi وغيرها من بطاريات أيونات الليثيوم المستهلكة.
• أنظمة Hielscher الصناعية بالموجات فوق الصوتية لتطبيقات الاستخلاص بالنض موثوقة ومتينة، ويمكن دمجها بسهولة في منشآت إعادة التدوير القائمة.

إعادة تدوير بطاريات أيونات الليثيوم

تُستخدم بطاريات أيونات الليثيوم على نطاق واسع في المركبات الكهربائية (EV) والحواسيب المحمولة والهواتف المحمولة. وهذا يعني أن بطاريات أيونات الليثيوم المستهلكة تمثل تحديًا حاليًا في إدارة النفايات وإعادة التدوير. وتُعد البطاريات عاملًا رئيسيًا في ارتفاع تكلفة المركبات الكهربائية، كما أن التخلص منها مكلف أيضًا. وتدفع الاعتبارات البيئية والاقتصادية نحو اعتماد دورة مغلقة لإعادة التدوير، لأن نفايات البطاريات تحتوي على مواد قيّمة، ويساعد ذلك على تقليل البصمة الكربونية لتصنيع بطاريات أيونات الليثيوم.
تنمو إعادة تدوير بطاريات أيونات الليثيوم لتصبح قطاعًا صناعيًا مزدهرًا، بهدف ضمان توافر المعادن الأرضية النادرة ومكونات البطاريات الأخرى مستقبلًا، وتقليل التكاليف البيئية للتعدين.

إعادة التدوير بالمعالجة الحرارية والمائية للمعادن مقارنة بإعادة تدوير البطاريات بالموجات فوق الصوتية

نقارن أدناه الطرق التقليدية للمعالجة الحرارية والمائية للمعادن بتقنية الاستخلاص بالنض بالموجات فوق الصوتية من حيث المزايا والعيوب.

عيوب إعادة تدوير البطاريات بالطرق التقليدية

تشمل الطرق التقليدية المستخدمة لإعادة تدوير بطاريات أيونات الليثيوم عمليات المعالجة الحرارية والمائية للمعادن.
طرق المعالجة الحرارية للمعادن تنطوي على عمليات ذات درجات حرارة مرتفعة، مثل الصهر أو الحرق. وتُعرَّض البطاريات لحرارة شديدة، مما يؤدي إلى احتراق المكونات العضوية، بينما تُصهر المكونات المعدنية المتبقية وتُفصل. ومع ذلك، لهذه الطرق بعض العيوب:

• الأثر البيئي: تُطلق عمليات المعالجة الحرارية للمعادن انبعاثات ضارة وملوثات إلى الغلاف الجوي، مما يسهم في تلوث الهواء وقد يتسبب في مخاطر صحية.
• فقدان المواد: قد تؤدي العمليات ذات درجات الحرارة المرتفعة إلى فقدان مواد ومعادن قيّمة بسبب التحلل الحراري، مما يقلل معدل الاسترداد الإجمالي.
• استهلاك كثيف للطاقة: تتطلب هذه الطرق عادةً مدخلات كبيرة من الطاقة، مما يزيد تكاليف التشغيل والبصمة البيئية.

 
طرق المعالجة المائية للمعادن تنطوي على الاستخلاص بالنض الكيميائي لإذابة مكونات البطاريات واستخلاص المعادن القيّمة. وعلى الرغم من أن المعالجة المائية للمعادن أكثر مراعاة للبيئة من المعالجة الحرارية للمعادن، فإن لها عيوبها الخاصة:

• استخدام المواد الكيميائية: يتطلب الاستخلاص بالنض أحماضًا قوية أو مواد كيميائية أكّالة أخرى، مما يثير مخاوف بشأن التعامل مع المواد الكيميائية وإدارة النفايات واحتمال تلوث البيئة.
• تحديات الانتقائية: قد يكون تحقيق الاستخلاص الانتقائي بالنض للمعادن المطلوبة صعبًا، مما يؤدي إلى انخفاض معدلات الاسترداد واحتمال فقدان موارد قيّمة.

 

مزايا استخلاص مكونات البطاريات بالنض بالموجات فوق الصوتية مقارنة بالتقنيات التقليدية

عند مقارنتها بتقنيتي إعادة التدوير بالمعالجة الحرارية والمائية للمعادن، تتفوق تقنية إعادة تدوير البطاريات بالموجات فوق الصوتية بفضل مزايا متعددة:

1. تعزيز الكفاءة: يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية أن تسرّع تفكك مواد البطاريات، مما يؤدي إلى تقصير أزمنة المعالجة وزيادة الكفاءة الإجمالية.
2. تحسين معدلات الاسترداد: يعزز التطبيق المنضبط للتجويف بالموجات فوق الصوتية تفكك مكونات البطاريات، مما يزيد معدلات استرداد المعادن القيّمة.
3. مراعاة البيئة: تقلل إعادة التدوير بالموجات فوق الصوتية الاعتماد على درجات الحرارة المرتفعة والمواد الكيميائية القاسية، مما يحد من الأثر البيئي ويخفض انبعاثات الملوثات.
4. الاستخلاص الانتقائي بالنض: يتيح التطبيق المنضبط للموجات فوق الصوتية تفكيك مكونات محددة داخل البطارية بصورة موجّهة، وفصلها بكفاءة. وبما أن مركبات البطاريات المختلفة القابلة لإعادة التدوير تُزال وتُذاب عند شدات محددة للموجات فوق الصوتية، فإن معاملات المعالجة المحسّنة تتيح الاستخلاص الانتقائي بالنض لكل مادة على حدة. وهذا يسهّل الفصل الفعال للمعادن والمواد القيّمة.
5. تقليل استهلاك الطاقة: مقارنة بطرق المعالجة المائية للمعادن، وبطرق المعالجة الحرارية للمعادن على وجه الخصوص، تكون إعادة التدوير بالموجات فوق الصوتية عمومًا أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، مما يؤدي إلى خفض تكاليف التشغيل وتقليل البصمة الكربونية.
6. قابلية توسيع النطاق والمرونة: يمكن زيادة نطاق أنظمة الموجات فوق الصوتية أو تقليصه بسهولة لاستيعاب أحجام البطاريات والقدرات الإنتاجية المختلفة. ويمكن أيضًا دمج أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية المخصصة لإعادة تدوير البطاريات بسهولة في مرافق إعادة تدوير البطاريات القائمة بالفعل. وتتوفر هذه الأجهزة بسهولة بمستويات قدرة مختلفة وملحقات متوافقة، مثل مسابير الموجات فوق الصوتية ومفاعلات خلايا التدفق، ويمكنها معالجة مكونات البطاريات ذات الأحجام المختلفة وبقدرات إنتاجية متنوعة، مما يوفر قابلية توسيع النطاق والتكيف في عمليات إعادة التدوير.
7. التكامل التآزري: يمكن دمج الاستخلاص بالنض بالموجات فوق الصوتية في خطوط إعادة تدوير البطاريات القائمة التي تعتمد على المعالجة المائية للمعادن، بهدف تكثيف وتحسين عملية استخلاص المعادن والمواد القيّمة من بطاريات أيونات الليثيوم المستهلكة بالنض باستخدام المعالجة المائية للمعادن.

إجمالًا، تُظهر إعادة تدوير البطاريات بالموجات فوق الصوتية إمكانات واعدة بوصفها طريقة أكثر مراعاة للبيئة وكفاءة وانتقائية مقارنة بالأساليب التقليدية للمعالجة الحرارية والمائية للمعادن.

الاستخلاص الصناعي بالنض بالموجات فوق الصوتية لاسترداد المعادن من البطاريات المستهلكة

يمكن تطبيق الاستخلاص بالنض واستخلاص المعادن بالموجات فوق الصوتية على عمليات إعادة تدوير بطاريات أكسيد الليثيوم والكوبالت، مثل بطاريات الحواسيب المحمولة والهواتف الذكية وغيرها، وكذلك بطاريات الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت ذات التركيب المعقد، مثل بطاريات المركبات الكهربائية.
تُعرف الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بقدرتها على معالجة السوائل الكيميائية والمعلّقات لتحسين انتقال الكتلة وبدء التفاعلات الكيميائية.
تستند التأثيرات الشديدة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة إلى ظاهرة التجويف الصوتي. فعند إقران الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بالسوائل / المعلّقات، تولّد موجات الضغط المنخفض والضغط المرتفع المتعاقبة في السوائل فقاعات فراغية صغيرة. وتنمو هذه الفجوات الفراغية الصغيرة خلال دورات متعددة من الضغط المنخفض / الضغط المرتفع حتى تنهار بعنف. ويمكن اعتبار الفقاعات الفراغية المنهارة مفاعلات دقيقة تحدث فيها درجات حرارة تصل إلى 5000K، وضغوط تصل إلى 1000atm، ومعدلات تسخين وتبريد تتجاوز 10^-10 . وعلاوة على ذلك، تتولد قوى قص هيدروديناميكية شديدة ونفاثات سائلة بسرعات تصل إلى 280m/s. وتُحدث هذه الظروف الشديدة للتجويف الصوتي ظروفًا فيزيائية وكيميائية استثنائية في سوائل تكون باردة لولا ذلك، وتوفر بيئة ملائمة للتفاعلات الكيميائية (ما يُسمى الكيمياء الصوتية).

يمكن للتجويف المتولد بالموجات فوق الصوتية أن يحفز التحلل الحراري للمواد المذابة، وكذلك تكوّن جذور وكواشف شديدة التفاعل، مثل الجذور الحرة وأيونات الهيدروكسيد (•OH,) والهيدرونيوم (H₃O+) وغيرها، مما يوفر ظروفًا استثنائية للتفاعل في السائل، بحيث يزداد معدل التفاعل زيادة كبيرة. وتُسرَّع المواد الصلبة، مثل الجسيمات، بواسطة النفاثات السائلة، وتُطحن بفعل التصادم بين الجسيمات والسحج، مما يزيد مساحة السطح النشط، وبالتالي انتقال الكتلة.
تتمثل الميزة الكبيرة للاستخلاص بالنض واسترداد المعادن بالموجات فوق الصوتية في التحكم الدقيق في معاملات العملية، مثل السعة والضغط ودرجة الحرارة. وتتيح هذه المعاملات ضبط ظروف التفاعل بدقة لتناسب وسط العملية والناتج المستهدف. وعلاوة على ذلك، يزيل الاستخلاص بالنض بالموجات فوق الصوتية حتى أصغر الجسيمات المعدنية من الركيزة، مع الحفاظ على البنى المجهرية. ويعود تحسّن استرداد المعادن إلى تكوين أسطح شديدة التفاعل بالموجات فوق الصوتية، وزيادة معدلات التفاعل، وتحسين انتقال الكتلة. ويمكن تحسين عمليات المعالجة بالموجات فوق الصوتية من خلال التأثير في كل معامل، ولذلك فهي ليست فعالة للغاية فحسب، بل تتميز أيضًا بكفاءة عالية في استهلاك الطاقة.
إن التحكم الدقيق في المعاملات وكفاءة استهلاك الطاقة يجعلان الاستخلاص بالنض بالموجات فوق الصوتية تقنية مفضلة ومتفوقة – وخاصة عند مقارنته بتقنيات الاستخلاص بالنض الحمضي والاستخلاب المعقدة.

استرداد LiCoO₂ بالموجات فوق الصوتية من بطاريات أيونات الليثيوم المستهلكة

تساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية في الاستخلاص بالنض الاختزالي والترسيب الكيميائي، اللذين يُستخدمان لاسترداد Li على هيئة Li₂CO₃ وCo على هيئة Co(OH)₂ من نفايات بطاريات أيونات الليثيوم.
يذكر Zhang et al. (2014) نجاح استرداد LiCoO₂ باستخدام مفاعل بالموجات فوق الصوتية. ولتحضير المحلول الابتدائي بحجم 600mL، وضعوا 10g من مسحوق LiCoO₂ غير الصالح للاستخدام في كأس مخبرية، وأضافوا محلول LiOH بتركيز 2.0mol/L، ثم خلطوهما.
صُبّ المزيج في موضع التشعيع بالموجات فوق الصوتية، وشُغّل جهاز التحريك الموضوع داخل وعاء التفاعل. وسُخّن المزيج إلى 120◦C، ثم ضُبط جهاز الموجات فوق الصوتية على 800W، وضُبط نمط عمل الموجات فوق الصوتية على دورات تشغيل نبضية مدتها 5 sec. تشغيل / 2sec. إيقاف. وطُبّق التشعيع بالموجات فوق الصوتية لمدة 6h، ثم بُرّد مزيج التفاعل إلى درجة حرارة الغرفة. وغُسلت البقايا الصلبة عدة مرات بماء منزوع الأيونات، وجُففت عند 80◦C حتى ثبات الوزن. وجُمعت العينة الناتجة لإجراء الاختبارات اللاحقة وإنتاج البطاريات. وتبلغ سعة الشحن في الدورة الأولى 134.2mAh/g، وسعة التفريغ 133.5mAh/g. وبلغت كفاءة الشحن والتفريغ لأول مرة 99.5%. وبعد 40 دورة، ظلت سعة التفريغ 132.9mAh/g. (Zhang et al. 2014)

الاستخلاص بالنض بالموجات فوق الصوتية باستخدام أحماض عضوية مثل حمض الستريك ليس فعالًا فحسب، بل صديق للبيئة أيضًا. وقد وجدت الأبحاث أن استخلاص Co وLi بالنض أكثر كفاءة باستخدام حمض الستريك منه باستخدام الأحماض غير العضوية H2SO4 وHCl. واستُرد أكثر من 96% من Co وما يقارب 100% من Li من بطاريات أيونات الليثيوم المستهلكة. وتسهم حقيقة أن الأحماض العضوية، مثل حمض الستريك وحمض الأسيتيك، منخفضة التكلفة وقابلة للتحلل الحيوي في توفير مزايا اقتصادية وبيئية إضافية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية.

الموجات فوق الصوتية الصناعية عالية القدرة لاستخلاص المعادن بالنض من البطاريات المستهلكة

Hielscher Ultrasonics هي مورّدكم ذو الخبرة الطويلة لأنظمة الموجات فوق الصوتية عالية الكفاءة والموثوقية، التي توفر القدرة المطلوبة لاستخلاص المعادن بالنض من مواد النفايات. ولإعادة معالجة بطاريات أيونات الليثيوم باستخلاص معادن مثل الكوبالت والليثيوم والنيكل والمنغنيز، تُعد أنظمة الموجات فوق الصوتية القوية والمتينة ضرورية. وتُعد وحدات Hielscher Ultrasonics الصناعية، مثل UIP4000hdT (4kW) وUIP6000hdT (6kW) وUIP10000 (10kW) وUIP16000 (16kW)، أقوى أنظمة الموجات فوق الصوتية عالية الأداء وأكثرها متانة في السوق. ويمكن تشغيل جميع وحداتنا الصناعية باستمرار بسعات عالية جدًا تصل إلى 200µm في تشغيل على مدار 24/7. وللحصول على سعات أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية. وتتيح متانة معدات Hielscher للموجات فوق الصوتية التشغيل على مدار 24/7 تحت أحمال شديدة وفي بيئات صعبة. كما توفر Hielscher سونوترودات ومفاعلات خاصة لدرجات الحرارة والضغوط المرتفعة والسوائل الأكّالة. وهذا يجعل أجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية لدينا ملائمة للغاية لتقنيات استخلاص المعادن، مثل المعالجات المائية للمعادن.

يقدم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:

---

---

المؤلفات/المراجع

• Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): Recovery of lithium and cobalt from spent lithium-ion batteries using organic acids: Process optimization and kinetic aspects. Waste Management 64, 2017. 244–254.
• Shin S.-M.; Lee D.-W.; Wang J.-P. (2018): Fabrication of Nickel Nanosized Powder from LiNiO₂ from Spent Lithium-Ion Battery. Metals 8, 2018.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO₂ from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Recovery of Lithium Cobalt Oxide Material from the Cathode of Spent Lithium-Ion Batteries. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.