Ultrazvukové louhování transformuje recyklaci baterií a městskou těžbu

Použité baterie a elektronický odpad jsou plné cenných materiálů, jako je lithium, nikl, mangan a kobalt, které jsou nezbytné pro rostoucí poptávku v odvětvích obnovitelných zdrojů energie a elektrických vozidel. Městská těžba – proces získávání těchto kovů z vyřazených baterií a dalšího elektronického odpadu – je slibnou cestou k oběhovému hospodářství, snižuje potřebu panenské těžby a minimalizuje odpad. Klíčovou technikou v této oblasti je sonikace, která prokázala obrovské výhody při zvyšování rychlosti výtěžnosti kovů, zkracování doby zpracování a zlepšování udržitelnosti.

Síla sonikace při recyklaci baterií a městské těžbě: Změna hry pro udržitelnou obnovu zdrojů

Nedávná studie Cancianiho a kol. (2024) zkoumá účinky ultrazvukové kavitace – drobných rázových vln vytvořených ultrazvukovými vlnami s vysokou intenzitou – na proces louhování pro recyklaci baterií. Jejich výzkum ukazuje, že sonikace není jen mírným zlepšením tradiční recyklace; Zásadně mění způsob, jakým proces recyklace interaguje s materiálem baterie, díky čemuž je rychlejší, efektivnější a méně závislý na agresivních chemikáliích.
Přečtěte si více o výsledcích studie níže!

Ultrazvukem zesílené kyselé loužení funguje dvanáctkrát rychleji než konvenční kyselé loužení, a to díky příznivému mechanickému působení kavitačních bublin, které prasknou v blízkosti povrchu. Tento jev zlepšuje míchání kyselých roztoků, čímž se zlepšují transportní vlastnosti.
Obrázek a studie: © Canciani et al., 2024

Jak sonikace funguje při recyklaci baterií

Při typické recyklaci baterií se katodové materiály (které obsahují cenné kovy) rozpouštějí v kyselém roztoku, což je proces nazývaný “loužení.” Tento přístup umožňuje separaci a zpětné získávání kovů z pevné struktury baterie. Konvenční loužení je však časově náročné a často trvá hodiny, než se dosáhne významného výtěžku kovu. Vyžaduje také silné kyseliny a vysoké teploty, což vyvolává obavy z dopadu na životní prostředí.
Sonikace transformuje tento proces přidáním ultrazvukových vln přímo do louhovacího roztoku. V V roce 2024 publikovaná studie Canciani et al. vědci testovali tuto techniku s náhradním materiálem baterie, oxidem lithium-kobalt-nikl-manganatým (NMC). Použitím ultrazvukových vln na specifické frekvenci a amplitudě zjistili, že ultrazvuková kavitace zkracuje dobu louhování o více než 80%. Tento proces se změnil z hodin na několik minut, což nabízí revoluční zlepšení efektivity.

Úloha sonikace při vylepšeném louhování: Věda za přenosem hmoty a rychlostí

Sonikace nejen urychluje louhování; Mění způsob, jakým kyselý roztok interaguje s částicemi baterie. Vysoce výkonný ultrazvuk vytváří miliony mikroskopických bublin, které se v roztoku rychle zhroutí, což je jev známý jako kavitace. Tato akce vytváří intenzivní lokální síly, které rozkládají povrchové částice a zvyšují interakci mezi kyselinou a kovy v materiálu baterie.
Podle Cancianiho et al. (2024) má tento proces dva primární účinky na materiály baterie: zvyšuje pórovitost částic a snižuje jejich velikost, což vede k dramatickému zvětšení povrchové plochy. S větší povrchovou plochou může kyselina ve větší míře interagovat s materiálem, což usnadňuje rychlejší louhování. Autoři pozorovali, že objem pórů v sonikovaných vzorcích se zvýšil o řád ve srovnání s těmi, které byly zpracovány konvenčně, čímž se vytvořilo více cest pro kyselinu k rozpuštění obsahu kovu.

SEM snímky pro částice v různých časech konvenčního (a–c) a ultrazvukového (d–f) loužení.
Obrázek a studie: © Canciani et al., 2024

Ultrazvukové louhování: Zlepšené transportní vlastnosti a mikromíchání

Studie také naznačuje, že ultrazvuková kavitace nejen zvyšuje kontakt s povrchem, ale také výrazně zlepšuje transportní vlastnosti. V podstatě to znamená, že distribuce kyseliny mezi částicemi baterie se stává rovnoměrnější, přičemž mikromíchání vyvolané kavitací zajišťuje rovnoměrnou expozici. To vede k homogenizovanému reakčnímu prostředí, které umožňuje kyselině rozpouštět kovy efektivněji a rovnoměrněji.
Dalším pozoruhodným zjištěním je, že výhody ultrazvukové kavitace přesahují zmenšení velikosti částic. Vědci zjistili, že kavitace mění mechanismus interakce mezi kyselinou a částicemi, pravděpodobně v důsledku zlepšeného transportu mezní vrstvy. Jednoduše řečeno, kavitace snižuje tloušťku kapalné vrstvy obklopující každou částici, což umožňuje rychlejší rozpouštění kovu.

Distribuce velikosti částic po ultrazvukovém a konvenčním loužení
Obrázek a studie: © Canciani et al., 2024

Výhody pro městskou těžbu a udržitelnost

Účinnost sonikace při recyklaci baterií má obrovský potenciál pro budoucnost městské těžby a udržitelné obnovy zdrojů. Zjištění Canciani et al. (2024) naznačují, že sonikace nahradí nebo sníží závislost na postupech poškozujících životní prostředí tím, že:

• Snížení spotřeby chemikálií: Ultrazvukem zesílené loužení umožňuje použití ekologičtějších rozpouštědel, jako je kyselina octová, spíše než drsnějších kyselin, které jsou obvykle potřebné pro konvenční louhování.
• Snížení energetických požadavků: S ultrazvukem dochází k louhování rychle při pokojové teplotě, spíše než aby vyžadovalo dlouhodobé zahřívání, což snižuje spotřebu energie a emise.
• Zvýšení využití materiálu: Zlepšená povrchová interakce a zvýšená pórovitost maximalizují míru výtěžnosti cenných kovů, díky čemuž je proces recyklace ekonomicky životaschopný a šetrný k životnímu prostředí.

Širší dopad na bateriový průmysl

S rozšiřováním elektromobilů a technologií obnovitelných zdrojů energie prudce roste poptávka po bateriích a potažmo po kovech v nich. Městská těžba s recyklací vylepšenou ultrazvukem nabízí prostředky k udržitelnému získávání těchto kovů, snižuje ekologickou zátěž při těžbě a nabízí přístup k výrobě a likvidaci baterií v uzavřené smyčce.
Rozšíření recyklačních metod založených na sonikaci, optimalizace kombinací rozpouštědel a zdokonalení aplikace ultrazvukových vln dále zvýší účinnost. Hielscher Ultrasonics vám rád doporučí ideální inline konfiguraci sonikátoru pro váš proces louhování. Kontaktujte nás nyní!

Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: