Ultrazvukové loužení mění recyklaci baterií a urban mining

Použité baterie a elektronický odpad obsahují množství cenných materiálů, jako je lithium, nikl, mangan a kobalt, které jsou nezbytné pro rostoucí poptávku v odvětví obnovitelné energie a elektromobility. Urban mining – proces zpětného získávání těchto kovů z vyřazených baterií a dalšího elektronického odpadu – je slibnou cestou k oběhovému hospodářství, která snižuje potřebu těžby primárních surovin a minimalizuje množství odpadu. Klíčovou technikou v této oblasti je sonikace, která prokázala obrovské přínosy při zvyšování výtěžnosti kovů, zkracování doby zpracování a zlepšování udržitelnosti.

Síla sonikace v recyklaci baterií a urban miningu: zásadní průlom pro udržitelné získávání surovin

Nedávná studie Canciani et al. (2024) zkoumá účinky ultrazvukové kavitace – drobných rázových vln vytvářených ultrazvukovými vlnami o vysoké intenzitě – na proces loužení při recyklaci baterií. Jejich výzkum ukazuje, že sonikace není jen mírným zlepšením tradiční recyklace; zásadně mění způsob, jakým recyklační proces působí na materiál baterií, a činí jej rychlejším, efektivnějším a méně závislým na agresivních chemikáliích.
Více o zjištěních studie se dočtete níže!

Ultrazvukem intenzifikované kyselé loužení probíhá dvanáctkrát rychleji než konvenční kyselé loužení, a to díky příznivému mechanickému působení kavitačních bublin, které implodují v blízkosti povrchu. Tento jev zlepšuje promíchávání kyselého roztoku, a tím zlepšuje transportní vlastnosti.
Obrázek a studie: © Canciani et al., 2024

Jak funguje sonikace při recyklaci baterií

Při běžné recyklaci baterií se katodové materiály (které obsahují cenné kovy) rozpouštějí v kyselém roztoku – tento proces se nazývá „loužení“. Tento postup umožňuje oddělení a zpětné získání kovů z pevné struktury baterie. Konvenční loužení je však časově náročné a dosažení významné výtěžnosti kovů často trvá hodiny. Vyžaduje také silné kyseliny a vysoké teploty, což vyvolává obavy z dopadu na životní prostředí.
Sonikace tento proces mění tím, že ultrazvukové vlny jsou zaváděny přímo do loužicího roztoku. Ve studii publikované v roce 2024 autory Canciani et al. výzkumníci testovali tuto techniku na náhradním bateriovém materiálu, oxidu lithia, kobaltu, niklu a manganu (NMC). Při aplikaci ultrazvukových vln o specifické frekvenci a amplitudě zjistili, že ultrazvuková kavitace zkracuje dobu loužení o více než 80 %. Proces, který trval hodiny, se zkrátil na několik minut, což představuje revoluční zlepšení efektivity.

Role sonikace při intenzifikovaném loužení: věda o přenosu hmoty a rychlosti

Sonikace loužení nejen urychluje; mění také způsob, jakým kyselý roztok interaguje s částicemi baterie. Výkonový ultrazvuk vytváří v roztoku miliony mikroskopických bublin, které rychle kolabují – tento jev se nazývá kavitace. Toto působení generuje intenzivní lokální síly, které rozrušují povrchové částice a zvyšují interakci mezi kyselinou a kovy obsaženými v materiálu baterie.
Podle Canciani et al. (2024) má tento proces na materiály baterií dva hlavní účinky: zvyšuje pórovitost částic a zmenšuje jejich velikost, což vede k dramatickému nárůstu měrného povrchu. Díky většímu povrchu může kyselina s materiálem interagovat v širším rozsahu, a tím usnadňuje rychlejší loužení. Autoři pozorovali, že objem pórů v sonikovaných vzorcích se ve srovnání se vzorky zpracovanými konvenčně zvýšil o řád, čímž vzniklo více cest, kudy může kyselina rozpouštět obsažené kovy.

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

Ultrazvukové loužení: lepší transportní vlastnosti a mikromísení

Studie rovněž naznačuje, že ultrazvuková kavitace nejen zlepšuje povrchový kontakt, ale také výrazně zlepšuje transportní vlastnosti. V podstatě to znamená, že rozložení kyseliny po částicích baterie je rovnoměrnější, přičemž mikromísení vyvolané kavitací zajišťuje rovnoměrnou expozici. To vede k homogenizovanému reakčnímu prostředí, které umožňuje kyselině rozpouštět kovy účinněji a rovnoměrněji.
Dalším pozoruhodným zjištěním je, že přínosy ultrazvukové kavitace přesahují samotné zmenšení velikosti částic. Výzkumníci zjistili, že kavitace mění mechanismus interakce mezi kyselinou a částicemi, pravděpodobně díky lepšímu transportu přes mezní vrstvu. Zjednodušeně řečeno, kavitace zmenšuje tloušťku vrstvy kapaliny obklopující každou částici, což umožňuje rychlejší rozpouštění kovů.

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

Přínosy pro urban mining a udržitelnost

Účinnost sonikace při recyklaci baterií skrývá obrovský potenciál pro budoucnost urban miningu a udržitelného získávání surovin. Zjištění Canciani et al. (2024) naznačují, že sonikace nahradí postupy poškozující životní prostředí nebo sníží závislost na nich, a to:

• Snížením spotřeby chemikálií: Ultrazvukem intenzifikované loužení umožňuje použití šetrnějších rozpouštědel, jako je kyselina octová, namísto agresivnějších kyselin, které jsou obvykle potřebné pro konvenční loužení.
• Snížením energetické náročnosti: Při sonikaci probíhá loužení rychle při pokojové teplotě, aniž by bylo nutné dlouhodobé zahřívání, což snižuje spotřebu energie a emise.
• Zvýšením výtěžnosti materiálů: Lepší povrchová interakce a zvýšená pórovitost maximalizují výtěžnost cenných kovů, díky čemuž je recyklační proces ekonomicky životaschopný a šetrný k životnímu prostředí.

Širší dopad na bateriový průmysl

S rozvojem elektromobilů a technologií obnovitelné energie prudce roste poptávka po bateriích, a tím i po kovech, které obsahují. Urban mining s recyklací intenzifikovanou sonikací nabízí způsob, jak tyto kovy získávat udržitelně, snižuje zátěž životního prostředí způsobenou těžbou a nabízí uzavřený cyklus výroby a likvidace baterií.
Zvětšování měřítka recyklačních metod založených na sonikaci, optimalizace kombinací rozpouštědel a zdokonalování aplikace ultrazvukových vln dále zvýší efektivitu. Hielscher Ultrasonics Vám rád doporučí ideální inline konfiguraci sonikátoru pro Váš proces loužení. Kontaktujte nás ještě dnes!

Design, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou známé svými nejvyššími standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují bezproblémovou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají.

Hielscher Ultrasonics je společnost s certifikací ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě splňují požadavky CE a odpovídají požadavkům UL, CSA a RoHs.

Následující tabulka Vám poskytne přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů: