Ultralydsudvaskning transformerer batterigenbrug og urban minedrift

Brugte batterier og elektronisk affald er fyldt med værdifulde materialer som lithium, nikkel, mangan og kobolt, der er afgørende for den stigende efterspørgsel inden for vedvarende energi og elektriske køretøjer. Byminedrift - processen med at genvinde disse metaller fra kasserede batterier og andet elektronisk affald - er en lovende vej til en cirkulær økonomi, der reducerer behovet for jomfruelig minedrift og minimerer affald. En nøgleteknik på dette område er sonikering, som har vist enorme fordele ved at forbedre metalgenvindingshastigheder, sænke behandlingstider og forbedre bæredygtigheden.

Kraften ved sonikering i batterigenbrug og urban minedrift: En game-changer for bæredygtig ressourcegenvinding

En nylig undersøgelse af Canciani et al. (2024) udforsker virkningerne af ultralydskavitation - små chokbølger skabt af ultralydsbølger med høj intensitet - på udvaskningsprocessen til batterigenbrug. Deres forskning viser, at sonikering ikke kun er en beskeden forbedring af traditionel genbrug; Det ændrer fundamentalt, hvordan genbrugsprocessen interagerer med batterimateriale, hvilket gør den hurtigere, mere effektiv og mindre afhængig af skrappe kemikalier.
Læs mere om undersøgelsens resultater nedenfor!

Ultralydsforbedret syreudvaskning fungerer med en hastighed tolv gange hurtigere end konventionel syreudvaskning på grund af den gavnlige mekaniske virkning af kavitationsbobler, der brister nær overfladen. Dette fænomen forbedrer syreopløsningsblandingen og forbedrer derved transportegenskaberne.
Billede og undersøgelse: © Canciani et al., 2024

Hvordan sonikering fungerer ved genbrug af batterier

Ved typisk batterigenanvendelse opløses katodematerialer (som indeholder værdifulde metaller) i en sur opløsning, en proces kaldet “udvaskning.” Denne tilgang giver mulighed for adskillelse og genvinding af metaller fra batteriets faste struktur. Konventionel udvaskning er dog tidskrævende og tager ofte timer at opnå betydelig metalgenvinding. Det kræver også stærke syrer og høje temperaturer, hvilket giver anledning til bekymring over miljøpåvirkningen.
Sonikering transformerer denne proces ved at tilføje ultralydsbølger direkte i udvaskningsopløsningen. I I den offentliggjorte undersøgelse fra 2024 af Canciani et al. testede forskere denne teknik med et surrogatbatterimateriale, lithiumkoboltnikkelmanganoxid (NMC). Ved at anvende ultralydsbølger ved en bestemt frekvens og amplitude fandt de, at ultralydskavitation reducerer udvaskningstiden med over 80%. Processen gik fra at tage timer til et spørgsmål om minutter, hvilket gav en revolutionerende forbedring af effektiviteten.

Sonikeringens rolle i forbedret udvaskning: Videnskaben bag masseoverførsel og hastighed

Sonikering fremskynder ikke kun udvaskning; Det ændrer den måde, den sure opløsning interagerer med batteripartiklerne. Ultralyd med høj effekt skaber millioner af mikroskopiske bobler, der hurtigt kollapser i opløsningen, et fænomen kendt som kavitation. Denne handling genererer intense lokale kræfter, der nedbryder overfladepartikler og øger interaktionen mellem syren og metallerne i batterimaterialet.
Ifølge Canciani et al. (2024) har denne proces to primære effekter på batterimaterialerne: den øger porøsiteten af partiklerne og reducerer deres størrelse, hvilket fører til en dramatisk stigning i overfladearealet. Med et større overfladeareal kan syren interagere mere omfattende med materialet og dermed lette hurtigere udvaskning. Forfatterne observerede, at porevolumenet i sonikerede prøver steg med en størrelsesorden sammenlignet med dem, der blev behandlet konventionelt, hvilket skabte flere veje for syren til at opløse metalindholdet.

SEM-billeder for partikler på forskellige tidspunkter af konventionel (a-c) og ultralyd (d-f) udvaskning.
Billede og undersøgelse: © Canciani et al., 2024

Ultralydsudvaskning: forbedrede transportegenskaber og mikroblanding

Undersøgelsen tyder også på, at ultralydskavitation ikke kun forbedrer overfladekontakten, men også forbedrer transportegenskaberne betydeligt. I bund og grund betyder det, at fordelingen af syre på tværs af batteripartiklerne bliver mere ensartet, hvor kavitationsinduceret mikroblanding sikrer jævn eksponering. Dette fører til et homogeniseret reaktionsmiljø, der gør det muligt for syren at opløse metaller mere effektivt og jævnt.
Et andet bemærkelsesværdigt fund er, at fordelene ved ultralydskavitation strækker sig ud over reduktion af partikelstørrelse. Forskerne fandt ud af, at kavitation ændrer interaktionsmekanismen mellem syren og partiklerne, sandsynligvis på grund af forbedret grænselagstransport. Enkelt sagt reducerer kavitation tykkelsen af det flydende lag, der omgiver hver partikel, hvilket giver mulighed for hurtigere metalopløsning.

Partikelstørrelsesfordelinger efter ultralyd og konventionel udvaskning
Billede og undersøgelse: © Canciani et al., 2024

Fordele for urban minedrift og bæredygtighed

Effektiviteten af sonikering i batterigenbrug har et enormt potentiale for fremtiden for urban minedrift og bæredygtig ressourcegenvinding. Resultaterne af Canciani et al. (2024) indikerer, at sonikering vil erstatte eller reducere afhængigheden af miljøskadelig praksis ved:

• Reduktion af kemikalieforbrug: Ultralydsforbedret udvaskning giver mulighed for brug af grønnere opløsningsmidler som eddikesyre i stedet for hårdere syrer, der typisk er nødvendige for konventionel udvaskning.
• Sænkning af energibehov: Ved sonikering sker udvaskning hurtigt ved stuetemperatur i stedet for at kræve langvarig opvarmning, hvilket reducerer energiforbrug og emissioner.
• Øget materialegenvinding: Forbedret overfladeinteraktion og forbedret porøsitet maksimerer genvindingsgraden af værdifulde metaller, hvilket gør genbrugsprocessen økonomisk levedygtig og miljøvenlig.

Bredere indvirkning på batteriindustrien

I takt med at elbiler og vedvarende energiteknologier udvides, stiger efterspørgslen efter batterier og i forlængelse heraf metallerne i dem. Byminedrift med sonikeringsforbedret genbrug tilbyder et middel til at genvinde disse metaller bæredygtigt, reducere miljøbelastningen på minedrift og tilbyde en lukket kredsløbstilgang til batteriproduktion og bortskaffelse.
Opskalering af sonikeringsbaserede genbrugsmetoder, optimering af opløsningsmiddelkombinationer og forfining af anvendelsen af ultralydsbølger vil øge effektiviteten yderligere. Hielscher Ultrasonics vil med glæde anbefale den ideelle soniker inline-konfiguration til din udvaskningsproces. Kontakt os nu!

Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.

Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: