Ултразвуковото излужване преобразява рециклирането на батерии и градския добив

Използваните батерии и електронните отпадъци съдържат множество ценни материали като литий, никел, манган и кобалт, които са от съществено значение за нарастващото търсене в секторите на възобновяемата енергия и електрическите превозни средства. Градският добив – процесът на извличане на тези метали от изхвърлени батерии и други електронни отпадъци – е обещаващ път към кръгова икономика, който намалява необходимостта от добив на първични суровини и свежда отпадъците до минимум. Ключова техника в тази област е ултразвуковата обработка, която показва огромни предимства за повишаване на степента на извличане на металите, съкращаване на времето за обработка и подобряване на устойчивостта.

Силата на ултразвуковата обработка при рециклирането на батерии и градския добив: революционна промяна за устойчивото извличане на ресурси

Скорошно проучване на Canciani et al. (2024) изследва въздействието на ултразвуковата кавитация – малки ударни вълни, създадени от ултразвукови вълни с висока интензивност – върху процеса на излужване при рециклирането на батерии. Изследването им показва, че ултразвуковата обработка не е просто умерено подобрение на традиционното рециклиране; тя променя из основи начина, по който процесът на рециклиране взаимодейства с материала на батериите, като го прави по-бърз, по-ефективен и по-малко зависим от агресивни химикали.
Прочетете повече за резултатите от проучването по-долу!

Киселинното излужване, подпомогнато с ултразвук, протича дванадесет пъти по-бързо от конвенционалното киселинно излужване благодарение на благоприятното механично действие на кавитационните мехурчета, които се спукват близо до повърхността. Това явление подобрява смесването на киселинния разтвор и по този начин подобрява транспортните свойства.
Изображение и проучване: © Canciani et al., 2024

Как действа ултразвуковата обработка при рециклирането на батерии

При обичайното рециклиране на батерии катодните материали (които съдържат ценни метали) се разтварят в киселинен разтвор чрез процес, наречен „излужване“. Този подход позволява отделянето и извличането на метали от твърдата структура на батерията. Конвенционалното излужване обаче отнема много време, като често са необходими часове, за да се постигне значително извличане на металите. То изисква също силни киселини и високи температури, което поражда опасения относно въздействието върху околната среда.
Ултразвуковата обработка преобразява този процес, като въвежда ултразвукови вълни директно в разтвора за излужване. В проучването на Canciani et al., публикувано през 2024 г., изследователите изпитват тази техника с материал, заместващ този на батериите – литиево-кобалтово-никелово-манганов оксид (NMC). Прилагайки ултразвукови вълни с определена честота и амплитуда, те установяват, че ултразвуковата кавитация намалява времето за излужване с над 80%. Продължителността на процеса се съкращава от часове до броени минути, което представлява революционно подобрение на ефективността.

Ролята на ултразвуковата обработка за подобряване на излужването: научните основи на масопреноса и скоростта

Ултразвуковата обработка не само ускорява излужването; тя променя начина, по който киселинният разтвор взаимодейства с частиците от батериите. Ултразвукът с висока мощност създава милиони микроскопични мехурчета, които бързо колапсират в разтвора – явление, известно като кавитация. Това действие поражда интензивни локални сили, които раздробяват повърхностните частици и увеличават взаимодействието между киселината и металите в материала на батериите.
Според Canciani et al. (2024) този процес има два основни ефекта върху материалите на батериите: увеличава порьозността на частиците и намалява размера им, което води до драстично увеличаване на повърхностната площ. При по-голяма повърхностна площ киселината може да взаимодейства по-широко с материала и така да улесни по-бързото излужване. Авторите наблюдават, че обемът на порите в пробите, обработени с ултразвук, се увеличава с един порядък спрямо този в пробите, обработени по конвенционален начин, като създава повече пътища за разтваряне на съдържащите се метали от киселината.

SEM изображения на частици в различни моменти от конвенционалното (a–c) и ултразвуковото (d–f) излужване.
Изображение и проучване: © Canciani et al., 2024

Ултразвуково излужване: подобрени транспортни свойства и микросмесване

Проучването също така предполага, че ултразвуковата кавитация не само подобрява контакта с повърхността, но и значително подобрява транспортните свойства. По същество това означава, че разпределението на киселината върху частиците от батериите става по-равномерно, като предизвиканото от кавитацията микросмесване осигурява равномерно излагане на нейното действие. Това води до хомогенизирана реакционна среда, която позволява на киселината да разтваря металите по-ефективно и равномерно.
Друг забележителен резултат е, че ползите от ултразвуковата кавитация надхвърлят намаляването на размера на частиците. Изследователите установяват, че кавитацията променя механизма на взаимодействие между киселината и частиците, вероятно поради подобрения пренос през граничния слой. Казано просто, кавитацията намалява дебелината на течния слой около всяка частица, което позволява по-бързо разтваряне на металите.

Разпределения на частиците по размер след ултразвуково и конвенционално излужване
Изображение и проучване: © Canciani et al., 2024

Ползи за градския добив и устойчивостта

Ефективността на ултразвуковата обработка при рециклирането на батерии разкрива огромен потенциал за бъдещето на градския добив и устойчивото извличане на ресурси. Резултатите на Canciani et al. (2024) показват, че ултразвуковата обработка ще замени или ще намали зависимостта от практики, увреждащи околната среда, чрез:

• Намаляване на употребата на химикали: Излужването, подпомогнато с ултразвук, позволява използването на по-екологични разтворители като оцетна киселина вместо по-агресивните киселини, които обикновено са необходими за конвенционалното излужване.
• Намаляване на енергийните потребности: При ултразвукова обработка излужването протича бързо при стайна температура, вместо да изисква продължително нагряване, което намалява потреблението на енергия и емисиите.
• Увеличаване на извличането на материали: Подобреното взаимодействие с повърхността и увеличената порьозност максимизират степента на извличане на ценни метали, като правят процеса на рециклиране икономически жизнеспособен и екологичен.

По-широко въздействие върху индустрията за батерии

С разрастването на електрическите превозни средства и технологиите за възобновяема енергия търсенето на батерии, а оттам и на съдържащите се в тях метали, нараства стремително. Градският добив с рециклиране, подпомогнато с ултразвук, предлага начин за устойчиво извличане на тези метали, като намалява екологичното натоварване, свързано с минния добив, и осигурява подход със затворен цикъл към производството и обезвреждането на батерии.
Мащабирането на методите за рециклиране, основани на ултразвукова обработка, оптимизирането на комбинациите от разтворители и усъвършенстването на прилагането на ултразвукови вълни ще повишат допълнително ефективността. Hielscher Ultrasonics с удоволствие ще препоръча идеалната конфигурация на ултразвуков апарат за работа в поток за вашия процес на излужване. Свържете се с нас сега!

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати на Hielscher са добре известни с най-високите си стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати на Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни работни среди.

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

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