Ултразвуковото извличане трансформира рециклирането на батерии и градския добив

Използваните батерии и електронните отпадъци са пълни с ценни материали като литий, никел, манган и кобалт, от съществено значение за нарастващото търсене в секторите на възобновяемата енергия и електрическите превозни средства. Градският добив - процесът на оползотворяване на тези метали от изхвърлени батерии и други електронни отпадъци - е обещаващ път към кръгова икономика, намалявайки нуждата от първичен добив и минимизирайки отпадъците. Ключова техника в тази област е ултразвукът, който показа огромни ползи за подобряване на степента на извличане на метали, намаляване на времето за обработка и подобряване на устойчивостта.

Силата на звука при рециклирането на батерии и градския добив: промяна на играта за устойчиво възстановяване на ресурсите

Скорошно проучване на Canciani et al. (2024) изследва ефектите на ултразвуковата кавитация - малки ударни вълни, създадени от ултразвукови вълни с висока интензивност - върху процеса на извличане за рециклиране на батерията. Техните изследвания показват, че ултразвукът не е просто скромно подобрение на традиционното рециклиране; Той фундаментално променя начина, по който процесът на рециклиране взаимодейства с материала на батерията, което го прави по-бърз, по-ефективен и по-малко зависим от агресивни химикали.
Прочетете повече за резултатите от проучването по-долу!

Ултразвуково подобреното киселинно извличане работи със скорост дванадесет пъти по-бързо от конвенционалното киселинно извличане, поради благоприятното механично действие на кавитационните мехурчета, спукващи се близо до повърхността. Това явление подобрява смесването на киселинни разтвори, като по този начин подобрява транспортните свойства.
Изображение и проучване: © Canciani et al., 2024 г

Как работи уникирането при рециклирането на батерии

При типичното рециклиране на батерии катодните материали (които съдържат ценни метали) се разтварят в киселинен разтвор, процес, наречен “Излужване.” Този подход позволява отделяне и възстановяване на метали от твърдата структура на батерията. Конвенционалното извличане обаче отнема много време, често отнема часове, за да се постигне значително възстановяване на метала. Той също така изисква силни киселини и високи температури, което поражда опасения за въздействието върху околната среда.
Соникацията трансформира този процес чрез добавяне на ултразвукови вълни директно в разтвора за извличане. В публикуваното през 2024 г. проучване на Canciani et al., изследователите тестваха тази техника със сурогатен материал на батерията, литиево-кобалт-никел-манганов оксид (NMC). Чрез прилагане на ултразвукови вълни с определена честота и амплитуда, те откриха, че ултразвуковата кавитация намалява времето за извличане с над 80%. Процесът премина от часове до няколко минути, предлагайки революционно подобрение на ефективността.

Ролята на соникацията в засиленото извличане: науката зад масовия трансфер и скоростта

Соникацията не само ускорява извличането; Той променя начина, по който киселинният разтвор взаимодейства с частиците на батерията. Ултразвукът с висока мощност създава милиони микроскопични мехурчета, които бързо се срутват в разтвора, явление, известно като кавитация. Това действие генерира интензивни локални сили, които разграждат повърхностните частици и увеличават взаимодействието между киселината и металите в материала на батерията.
Според Canciani et al. (2024) този процес има два основни ефекта върху материалите на батерията: увеличава порьозността на частиците и намалява техния размер, което води до драстично увеличаване на повърхността. При по-голяма повърхност киселината може да взаимодейства по-широко с материала, като по този начин улеснява по-бързото извличане. Авторите забелязват, че обемът на порите в ултразвуковите проби се увеличава с порядък в сравнение с тези, обработени конвенционално, създавайки повече пътища за киселината да разтваря съдържанието на метал.

SEM изображения за частици в различни периоди на конвенционално (a–c) и ултразвуково (d–f) извличане.
Изображение и проучване: © Canciani et al., 2024 г

Ултразвуково извличане: подобрени транспортни свойства и микросмесване

Проучването също така предполага, че ултразвуковата кавитация не само подобрява повърхностния контакт, но и значително подобрява транспортните свойства. По същество това означава, че разпределението на киселината в частиците на батерията става по-равномерно, като индуцираното от кавитация микросмесване осигурява равномерно излагане. Това води до хомогенизирана реакционна среда, което позволява на киселината да разтваря металите по-ефективно и равномерно.
Друго забележително откритие е, че ползите от ултразвуковата кавитация се простират отвъд намаляването на размера на частиците. Изследователите установиха, че кавитацията променя механизма на взаимодействие между киселината и частиците, вероятно поради подобрения транспорт на граничния слой. Казано по-просто, кавитацията намалява дебелината на течния слой около всяка частица, което позволява по-бързо разтваряне на метала.

Разпределение на размера на частиците след ултразвуково и конвенционално извличане
Изображение и проучване: © Canciani et al., 2024 г

Ползи за градския добив и устойчивостта

Ефективността на ултразвука при рециклирането на батерии има огромен потенциал за бъдещето на градския добив и устойчивото възстановяване на ресурсите. Констатациите на Canciani et al. (2024) показват, че ултразвукът ще замени или намали зависимостта от вредни за околната среда практики чрез:

• Намаляване на употребата на химикали: Ултразвуковото извличане позволява използването на по-зелени разтворители като оцетна киселина, а не по-агресивни киселини, които обикновено са необходими за конвенционалното извличане.
• Намаляване на енергийните изисквания: При ултразвука извличането се случва бързо при стайна температура, вместо да изисква продължително нагряване, което намалява консумацията на енергия и емисиите.
• Увеличаване на възстановяването на материала: Подобреното взаимодействие на повърхността и подобрената порьозност увеличават максимално степента на възстановяване на ценни метали, което прави процеса на рециклиране икономически жизнеспособен и екологичен.

По-широко въздействие върху индустрията за батерии

С разширяването на електромобилите и технологиите за възобновяема енергия, търсенето на батерии и металите в тях нараства. Градският добив с рециклиране с ултразвук предлага средство за устойчиво възстановяване на тези метали, намалявайки екологичната тежест върху минното дело и предлагайки подход със затворен цикъл към производството и изхвърлянето на батерии.
Увеличаването на методите за рециклиране, базирани на ултразвук, оптимизирането на комбинациите от разтворители и усъвършенстването на прилагането на ултразвукови вълни допълнително ще повишат ефективността. Hielscher Ultrasonics с удоволствие ще препоръча идеалната вградена конфигурация на ултразвукораздвижителя за вашия процес на извличане. Свържете се с нас сега!

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.

Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови уреди, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са съвместими с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: