La lixiviation par ultrasons transforme le recyclage des batteries et l'exploitation minière urbaine

Les batteries usagées et les déchets électroniques contiennent des matériaux précieux tels que le lithium, le nickel, le manganèse et le cobalt, essentiels pour répondre à la demande croissante des secteurs des énergies renouvelables et des véhicules électriques. L'exploitation minière urbaine, qui consiste à récupérer ces métaux dans les piles et autres déchets électroniques mis au rebut, est une voie prometteuse vers une économie circulaire, car elle réduit la nécessité d'exploiter des mines vierges et minimise les déchets. Une technique clé dans ce domaine est la sonication, qui a montré d'énormes avantages en améliorant les taux de récupération des métaux, en réduisant les temps de traitement et en améliorant la durabilité.

Le pouvoir de la sonication dans le recyclage des batteries et l'exploitation minière urbaine : Un changement de donne pour la récupération durable des ressources

Une étude récente de Canciani et al. (2024) explore les effets de la cavitation ultrasonique - de minuscules ondes de choc créées par des ondes ultrasoniques de haute intensité - sur le processus de lixiviation pour le recyclage des piles. Leur recherche montre que la sonication n'est pas seulement une amélioration modeste du recyclage traditionnel ; elle change fondamentalement la façon dont le processus de recyclage interagit avec le matériau des piles, le rendant plus rapide, plus efficace et moins dépendant de produits chimiques agressifs.
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La lixiviation acide améliorée par ultrasons est douze fois plus rapide que la lixiviation acide conventionnelle, en raison de l'action mécanique bénéfique des bulles de cavitation qui éclatent près de la surface. Ce phénomène améliore le mélange de la solution acide, ce qui renforce les propriétés de transport.
Image et étude : © Canciani et al., 2024

Comment la sonication fonctionne-t-elle dans le recyclage des piles ?

Dans le cadre du recyclage classique des piles, les matériaux de la cathode (qui contiennent des métaux précieux) sont dissous dans une solution acide, un processus appelé “la lixiviation.” Cette approche permet de séparer et de récupérer les métaux de la structure solide de la batterie. Cependant, la lixiviation conventionnelle prend beaucoup de temps, et il faut souvent des heures pour obtenir une récupération significative des métaux. Elle nécessite également des acides forts et des températures élevées, ce qui soulève des inquiétudes quant à l'impact sur l'environnement.
La sonication transforme ce processus en ajoutant des ondes ultrasoniques directement dans la solution de lixiviation. Dans l'étude publiée en 2024 par Canciani et al, les chercheurs ont testé cette technique avec un matériau de substitution des batteries, l'oxyde de lithium, de cobalt, de nickel et de manganèse (NMC). En appliquant des ondes ultrasoniques à une fréquence et une amplitude spécifiques, ils ont constaté que la cavitation ultrasonique réduisait le temps de lixiviation de plus de 80 %. Le processus est passé de plusieurs heures à quelques minutes, ce qui représente une amélioration révolutionnaire de l'efficacité.

Le rôle de la sonication dans la lixiviation améliorée : la science derrière le transfert de masse et la vitesse

La sonication n'accélère pas seulement la lixiviation, elle modifie la façon dont la solution acide interagit avec les particules de la batterie. Les ultrasons de forte puissance créent des millions de bulles microscopiques qui s'effondrent rapidement dans la solution, un phénomène connu sous le nom de cavitation. Cette action génère des forces locales intenses qui brisent les particules de surface et augmentent l'interaction entre l'acide et les métaux à l'intérieur du matériau de la batterie.
Selon Canciani et al. (2024), ce processus a deux effets principaux sur les matériaux de la batterie : il augmente la porosité des particules et réduit leur taille, ce qui entraîne une augmentation considérable de la surface. Avec une surface plus grande, l'acide peut interagir plus largement avec le matériau, facilitant ainsi une lixiviation plus rapide. Les auteurs ont observé que le volume des pores dans les échantillons soniqués augmentait d'un ordre de grandeur par rapport à ceux traités de manière conventionnelle, créant ainsi plus de voies pour que l'acide dissolve le contenu métallique.

Images SEM de particules à différents moments de la lixiviation conventionnelle (a-c) et ultrasonique (d-f).
Image et étude : © Canciani et al., 2024

Lixiviation par ultrasons : amélioration des propriétés de transport et du micro-mélange

L'étude suggère également que la cavitation ultrasonique améliore non seulement le contact avec la surface, mais aussi de manière significative les propriétés de transport. Cela signifie essentiellement que la distribution de l'acide sur les particules de la batterie devient plus uniforme, le micro-mélange induit par la cavitation assurant une exposition uniforme. Il en résulte un environnement de réaction homogène, qui permet à l'acide de dissoudre les métaux de manière plus efficace et plus régulière.
Une autre découverte notable est que les avantages de la cavitation ultrasonique vont au-delà de la réduction de la taille des particules. Les chercheurs ont constaté que la cavitation modifie le mécanisme d'interaction entre l'acide et les particules, probablement en raison de l'amélioration du transport de la couche limite. En termes simples, la cavitation réduit l'épaisseur de la couche de liquide entourant chaque particule, ce qui permet une dissolution plus rapide du métal.

Distribution de la taille des particules après une lixiviation ultrasonique et conventionnelle
Image et étude : © Canciani et al., 2024

Avantages pour l'exploitation minière urbaine et la durabilité

L'efficacité de la sonication dans le recyclage des piles recèle un énorme potentiel pour l'avenir de l'exploitation minière urbaine et de la récupération durable des ressources. Les conclusions de Canciani et al. (2024) indiquent que la sonication remplacera ou réduira la dépendance à l'égard des pratiques nuisibles à l'environnement en :

• Réduction de l'utilisation des produits chimiques : La lixiviation améliorée par ultrasons permet d'utiliser des solvants plus écologiques comme l'acide acétique plutôt que des acides plus durs généralement nécessaires pour la lixiviation conventionnelle.
• Réduire les besoins en énergie : Avec la sonication, la lixiviation se produit rapidement à température ambiante au lieu de nécessiter un chauffage prolongé, ce qui réduit la consommation d'énergie et les émissions.
• Augmenter la récupération des matériaux : L'amélioration de l'interaction de surface et de la porosité maximise les taux de récupération des métaux précieux, ce qui rend le processus de recyclage économiquement viable et respectueux de l'environnement.

Impact plus large sur l'industrie des piles

Avec le développement des VE et des technologies d'énergie renouvelable, la demande de batteries et, par extension, des métaux qu'elles contiennent, monte en flèche. L'exploitation minière urbaine avec recyclage par sonication offre un moyen de récupérer ces métaux de manière durable, en réduisant la charge environnementale de l'exploitation minière et en proposant une approche en boucle fermée de la production et de l'élimination des batteries.
L'augmentation des méthodes de recyclage par sonication, l'optimisation des combinaisons de solvants et l'affinement de l'application des ondes ultrasoniques permettront d'accroître encore l'efficacité. Hielscher Ultrasonics se fera un plaisir de vous recommander la configuration idéale du sonicateur en ligne pour votre processus de lixiviation. N'hésitez pas à nous contacter !

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