لیچینگ فراصوتی، بازیافت باتری و معدن‌کاری شهری را متحول می‌کند
باتری‌های مستعمل و پسماندهای الکترونیکی سرشار از مواد ارزشمندی مانند لیتیوم، نیکل، منگنز و کبالت هستند که برای پاسخ‌گویی به تقاضای رو‌به‌رشد در بخش‌های انرژی تجدیدپذیر و خودروهای برقی ضروری‌اند. معدن‌کاری شهری – فرایند بازیابی این فلزات از باتری‌های دورریخته‌شده و دیگر پسماندهای الکترونیکی – مسیری امیدبخش به‌سوی اقتصاد چرخشی است که نیاز به استخراج از ذخایر بکر را کاهش می‌دهد و پسماند را به حداقل می‌رساند. یکی از تکنیک‌های کلیدی در این حوزه فراصوت‌دهی است که مزایای چشمگیری در افزایش میزان بازیابی فلزات، کاهش زمان پردازش و بهبود پایداری نشان داده است.
قدرت فراصوت‌دهی در بازیافت باتری و معدن‌کاری شهری: تحولی بنیادین در بازیابی پایدار منابع
مطالعه‌ای تازه از Canciani et al. (2024) اثرات کاویتاسیون فراصوتی – امواج ضربه‌ای کوچکی که امواج فراصوت با شدت بالا ایجاد می‌کنند – را بر فرایند لیچینگ برای بازیافت باتری بررسی می‌کند. پژوهش آن‌ها نشان می‌دهد که فراصوت‌دهی صرفاً بهبودی جزئی در بازیافت سنتی نیست؛ بلکه چگونگی برهم‌کنش فرایند بازیافت با مواد باتری را به‌طور بنیادی تغییر می‌دهد و آن را سریع‌تر، کارآمدتر و کم‌وابسته‌تر به مواد شیمیایی خورنده می‌کند.
در ادامه، دربارهٔ یافته‌های این مطالعه بیشتر بخوانید!
لیچینگ اسیدی تقویت‌شده با فراصوت، به‌دلیل اثر مکانیکی سودمند ترکیدن حباب‌های کاویتاسیون در نزدیکی سطح، با سرعتی دوازده برابر لیچینگ اسیدی متداول انجام می‌شود. این پدیده اختلاط محلول اسیدی را بهبود می‌بخشد و در نتیجه ویژگی‌های انتقال را ارتقا می‌دهد.
تصویر و مطالعه: © Canciani et al., 2024
سونیکاتور UIP16000hdT دوغاب‌های پسماند حاوی فلز را با دبی عبوری بالا و به‌طور قابل‌اعتماد پردازش می‌کند و لیچینگ فلزات گران‌بها و کانسنگ‌ها را تسهیل می‌کند.
فراصوت‌دهی در بازیافت باتری چگونه عمل می‌کند
در بازیافت معمول باتری، مواد کاتدی (که حاوی فلزات ارزشمند هستند) در محلولی اسیدی حل می‌شوند؛ فرایندی که «لیچینگ» نام دارد. این رویکرد امکان جداسازی و بازیابی فلزات از ساختار جامد باتری را فراهم می‌کند. بااین‌حال، لیچینگ متداول زمان‌بر است و دستیابی به بازیابی قابل‌توجه فلزات اغلب ساعت‌ها طول می‌کشد. این روش همچنین به اسیدهای قوی و دماهای بالا نیاز دارد که نگرانی‌هایی دربارهٔ اثرات زیست‌محیطی ایجاد می‌کند.
فراصوت‌دهی با اعمال مستقیم امواج فراصوت به محلول لیچینگ، این فرایند را متحول می‌کند. در مطالعهٔ منتشرشده در سال 2024 توسط Canciani et al.، پژوهشگران این تکنیک را با ماده‌ای جایگزین برای مواد باتری، یعنی اکسید لیتیوم کبالت نیکل منگنز (NMC)، آزمایش کردند. آن‌ها با اعمال امواج فراصوت با فرکانس و دامنه‌ای مشخص دریافتند که کاویتاسیون فراصوتی زمان لیچینگ را بیش از 80% کاهش می‌دهد. زمان فرایند از چند ساعت به چند دقیقه رسید و بهبودی انقلابی در کارایی ایجاد کرد.
نقش فراصوت‌دهی در تقویت لیچینگ: مبانی علمی انتقال جرم و سرعت
فراصوت‌دهی صرفاً لیچینگ را سریع‌تر نمی‌کند؛ بلکه نحوهٔ برهم‌کنش محلول اسیدی با ذرات باتری را تغییر می‌دهد. فراصوت پرتوان میلیون‌ها حباب میکروسکوپی ایجاد می‌کند که به‌سرعت در محلول فرومی‌پاشند؛ پدیده‌ای که کاویتاسیون نام دارد. این عمل نیروهای موضعی شدیدی ایجاد می‌کند که ذرات سطحی را خرد می‌کنند و برهم‌کنش میان اسید و فلزات موجود در مواد باتری را افزایش می‌دهند.
طبق مطالعهٔ Canciani et al. (2024)، این فرایند دو اثر اصلی بر مواد باتری دارد: تخلخل ذرات را افزایش و اندازهٔ آن‌ها را کاهش می‌دهد که به افزایش چشمگیر مساحت سطح منجر می‌شود. با افزایش مساحت سطح، اسید می‌تواند به‌طور گسترده‌تری با ماده برهم‌کنش داشته باشد و در نتیجه لیچینگ سریع‌تر را تسهیل کند. نویسندگان مشاهده کردند که حجم حفره‌ها در نمونه‌های تحت فراصوت‌دهی، در مقایسه با نمونه‌های پردازش‌شده به روش متداول، یک مرتبهٔ بزرگی افزایش یافت و مسیرهای بیشتری برای انحلال محتوای فلزی توسط اسید ایجاد کرد.
تصاویر SEM ذرات در زمان‌های مختلف لیچینگ متداول (a–c) و فراصوتی (d–f).
تصویر و مطالعه: © Canciani et al., 2024
سونیکاتورها برای لیچینگ در بازیافت باتری و معدن‌کاری شهری.
لیچینگ فراصوتی: بهبود ویژگی‌های انتقال و ریزاختلاط
این مطالعه همچنین نشان می‌دهد که کاویتاسیون فراصوتی نه‌تنها تماس سطحی را افزایش می‌دهد، بلکه ویژگی‌های انتقال را نیز به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد. در اصل، این بدان معناست که توزیع اسید در میان ذرات باتری یکنواخت‌تر می‌شود و ریزاختلاط ناشی از کاویتاسیون، قرارگیری یکنواخت ذرات در معرض اسید را تضمین می‌کند. این امر محیط واکنش را همگن می‌سازد و به اسید امکان می‌دهد فلزات را مؤثرتر و یکنواخت‌تر حل کند.
یافتهٔ قابل‌توجه دیگر این است که مزایای کاویتاسیون فراصوتی فراتر از کاهش اندازهٔ ذرات است. پژوهشگران دریافتند که کاویتاسیون سازوکار برهم‌کنش میان اسید و ذرات را تغییر می‌دهد که احتمالاً ناشی از بهبود انتقال در لایهٔ مرزی است. به زبان ساده، کاویتاسیون ضخامت لایهٔ مایع پیرامون هر ذره را کاهش می‌دهد و انحلال سریع‌تر فلزات را امکان‌پذیر می‌کند.
توزیع اندازهٔ ذرات پس از لیچینگ فراصوتی و متداول
تصویر و مطالعه: © Canciani et al., 2024
مزایا برای معدن‌کاری شهری و پایداری
اثربخشی فراصوت‌دهی در بازیافت باتری، ظرفیت عظیمی برای آیندهٔ معدن‌کاری شهری و بازیابی پایدار منابع دارد. یافته‌های Canciani et al. (2024) نشان می‌دهد که فراصوت‌دهی از راه‌های زیر جایگزین روش‌های آسیب‌رسان به محیط‌زیست خواهد شد یا وابستگی به آن‌ها را کاهش خواهد داد:
- کاهش مصرف مواد شیمیایی: لیچینگ تقویت‌شده با فراصوت امکان استفاده از حلال‌های سازگارتر با محیط‌زیست، مانند اسید استیک، را به‌جای اسیدهای خورنده‌تری فراهم می‌کند که معمولاً برای لیچینگ متداول لازم‌اند.
- کاهش نیاز به انرژی: با فراصوت‌دهی، لیچینگ به‌جای نیاز به گرمایش طولانی‌مدت، به‌سرعت در دمای اتاق انجام می‌شود و این امر مصرف انرژی و انتشار آلاینده‌ها را کاهش می‌دهد.
- افزایش بازیابی مواد: بهبود برهم‌کنش سطحی و افزایش تخلخل، میزان بازیابی فلزات ارزشمند را به حداکثر می‌رساند و فرایند بازیافت را از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه و از نظر زیست‌محیطی سازگار می‌کند.
تأثیر گسترده‌تر بر صنعت باتری
با گسترش خودروهای برقی و فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر، تقاضا برای باتری‌ها و به‌تبع آن فلزات موجود در آن‌ها به‌شدت افزایش می‌یابد. معدن‌کاری شهری با بازیافت تقویت‌شده به‌وسیلهٔ فراصوت‌دهی، راهی برای بازیابی پایدار این فلزات فراهم می‌کند، بار زیست‌محیطی مرتبط با معدن‌کاری را کاهش می‌دهد و رویکردی با چرخهٔ بسته برای تولید و دفع باتری ارائه می‌دهد.
افزایش مقیاس روش‌های بازیافت مبتنی بر فراصوت‌دهی، بهینه‌سازی ترکیب حلال‌ها و بهبود نحوهٔ اعمال امواج فراصوت، کارایی را بیش‌ازپیش افزایش خواهد داد. Hielscher Ultrasonics با کمال میل پیکربندی ایدئال سونیکاتور درون‌خطی را برای فرایند لیچینگ شما پیشنهاد می‌کند. همین حالا با ما تماس بگیرید!
- کارایی بالا
- فناوری روز
- قابلیت اطمینان و استحکام
- کنترل دقیق و قابل‌تنظیم فرایند
- ناپیوسته و درون‌خطی
- برای هر حجم
- نرم‌افزار هوشمند
- قابلیت‌های هوشمند (مانند برنامه‌پذیری، ثبت داده‌ها، کنترل از راه دور)
- کاربری آسان و ایمن
- نیاز اندک به نگهداری
- CIP (شست‌وشو در محل)
طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان
دستگاه‌های فراصوت Hielscher به بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شهرت دارند. استحکام و کاربری آسان، ادغام بی‌دردسر دستگاه‌های فراصوت ما در تأسیسات صنعتی را امکان‌پذیر می‌کند. دستگاه‌های فراصوت Hielscher به‌آسانی از عهدهٔ شرایط سخت و محیط‌های دشوار برمی‌آیند.
Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهینامهٔ ISO است و بر دستگاه‌های فراصوت با عملکرد بالا که از فناوری روز و کاربری آسان برخوردارند، تأکید ویژه‌ای دارد. البته دستگاه‌های فراصوت Hielscher با الزامات CE مطابقت دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوت ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- Chiara Canciani, Elia Colleoni, Varaha P. Sarvothaman, Paolo Guida, William L. Roberts (2024): On the effect of cavitation on particles in leaching processes: implications to battery recycling. Environmental Advances, Volume 17, 2024.
- Wang, J.; Faraji, F.; Ghahreman, A. (2020): Effect of Ultrasound on the Oxidative Copper Leaching from Chalcopyrite in Acidic Ferric Sulfate Media. Minerals 2020, 10, 633.
- J.L Luque-Garcı́a, M.D Luque de Castro (2003): Ultrasound: a powerful tool for leaching. TrAC Trends in Analytical Chemistry, Volume 22, Issue 1, 2003. 41-47.
پرسش‌های متداول
فرایند لیچینگ چیست؟
فرایند لیچینگ روشی برای استخراج فلزات ارزشمند از مواد جامد از طریق حل کردن آن‌ها در یک حلال مایع، معمولاً محلولی اسیدی، است. این تکنیک ماتریس جامد را تجزیه می‌کند و به یون‌های فلزی اجازه می‌دهد وارد محلول شوند؛ سپس می‌توان آن‌ها را از این محلول بیشتر خالص‌سازی و بازیابی کرد. لیچینگ به‌طور گسترده در معدن‌کاری و بازیافت برای بازیابی فلزات از کانسنگ‌ها و مواد پسماند به کار می‌رود.
تفاوت استخراج و لیچینگ چیست؟
استخراج و لیچینگ هر دو به فرایندهایی برای جداسازی مواد ارزشمند از یک مادهٔ جامد اشاره دارند، اما از نظر روش‌ها و زمینه‌های کاربرد متفاوت‌اند. استخراج عموماً به طیف گسترده‌تری از تکنیک‌ها برای خارج کردن یک مادهٔ مشخص اشاره دارد که اغلب با استفاده از حلال‌ها برای جداسازی آن از سایر اجزا انجام می‌شود و می‌تواند روش‌های مختلف فیزیکی، شیمیایی یا حرارتی را در بر گیرد. در مقابل، لیچینگ نوع مشخصی از استخراج است که شامل حل کردن فلزات یا دیگر مواد حل‌شونده از یک جامد در یک مایع، معمولاً با استفاده از محلول اسیدی یا قلیایی، می‌شود. لیچینگ معمولاً در فرایندهای معدن‌کاری، متالورژی و بازیافت به کار می‌رود. درحالی‌که استخراج می‌تواند برای انواع گوناگون مواد به کار رود، لیچینگ به‌طور مشخص شامل خارج‌سازی انتخابی مواد حل‌شده از جامدات با استفاده از حلال‌های مایع است.
چه موادی معمولاً برای لیچینگ استفاده می‌شوند؟
مواد معمول مورد استفاده برای لیچینگ، بسته به مادهٔ در حال پردازش، شامل **اسیدها**، **قلیاها** و **حلال‌ها** هستند. عوامل رایج لیچینگ عبارت‌اند از:
- اسیدها:
- اسید سولفوریک: اغلب در استخراج مس، نیکل و اورانیوم استفاده می‌شود.
- اسید کلریدریک: در لیچینگ فلزاتی مانند مس و طلا استفاده می‌شود.
- اسید نیتریک: معمولاً در لیچینگ فلزات گران‌بها، به‌ویژه طلا و نقره، استفاده می‌شود.
- اسید استیک: گاهی در فرایندهای لیچینگ سازگار با محیط‌زیست یا مبتنی بر مواد آلی استفاده می‌شود.
- قلیاها:
هیدروکسید سدیم (سود سوزآور): در استخراج آلومینا از کانسنگ بوکسیت یا در لیچینگ برخی فلزات مانند طلا و روی استفاده می‌شود. - حلال‌ها:
- سیانید: معمولاً در معدن‌کاری طلا و نقره برای لیچینگ طلا از کانسنگ (سیانوراسیون) استفاده می‌شود.
- آمونیاک: در لیچینگ مس و دیگر فلزات پایه استفاده می‌شود.
این مواد به حل کردن فلزات یا کانی‌های مشخص از کانسنگ‌ها، مواد پسماند یا سایر جامدات کمک می‌کنند و بازیابی مواد ارزشمند را تسهیل می‌کنند.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در اندازه‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.