שטיפה על-קולית משנה את מיחזור הסוללות ואת הכרייה העירונית

סוללות משומשות ופסולת אלקטרונית עמוסות בחומרים יקרי ערך כמו ליתיום, ניקל, מנגן וקובלט, החיוניים לביקוש הגובר במגזרי האנרגיה המתחדשת והרכבים החשמליים. כרייה עירונית - התהליך של החזרת מתכות אלה מסוללות שהושלכו ופסולת אלקטרונית אחרת - היא נתיב מבטיח לכלכלה מעגלית, המפחיתה את הצורך בכרייה בתולית וממזערת פסולת. טכניקה מרכזית בתחום זה היא סוניקציה, אשר הראתה יתרונות עצומים בשיפור שיעורי שחזור מתכות, קיצור זמני עיבוד ושיפור קיימות.

כוחה של סוניקציה במחזור סוללות ובכרייה עירונית: משנה את כללי המשחק לשחזור משאבים בר-קיימא

מחקר שנערך לאחרונה על ידי Canciani et al. (2024) בוחן את ההשפעות של קוויטציה קולית - גלי הלם זעירים שנוצרו על ידי גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה - על תהליך הזליגה למחזור סוללות. המחקר שלהם מראה כי סוניקציה אינה רק שיפור צנוע לעומת המיחזור המסורתי; זה משנה באופן יסודי את האופן שבו תהליך המיחזור מתקשר עם חומר הסוללה, מה שהופך אותו מהיר יותר, יעיל יותר, ופחות מסתמך על כימיקלים קשים.
קראו עוד על ממצאי המחקר בהמשך!

שטיפת חומצה משופרת אולטרסאונד פועלת בקצב מהיר פי שתים עשרה משטיפת חומצה קונבנציונלית, בשל הפעולה המכנית המועילה של בועות קוויטציה המתפוצצות בסמוך לפני השטח. תופעה זו משפרת את ערבוב תמיסת החומצה, ובכך משפרת את תכונות ההובלה.
תמונה ומחקר: © Canciani et al., 2024

כיצד פועלת סוניקציה במיחזור סוללות

במחזור סוללות טיפוסי, חומרים קתודה (המכילים מתכות יקרות) מומסים בתמיסה חומצית, תהליך הנקרא “שטיפה.” גישה זו מאפשרת הפרדה והתאוששות של מתכות מהמבנה המוצק של הסוללה. עם זאת, שטיפה קונבנציונלית היא עתירת זמן, ולעתים קרובות לוקח שעות כדי להשיג התאוששות מתכת משמעותית. זה גם דורש חומצות חזקות וטמפרטורות גבוהות, מה שמעלה חששות לגבי ההשפעה על הסביבה.
סוניקציה משנה תהליך זה על ידי הוספת גלים קוליים ישירות לתוך פתרון השטיפה. במחקר שפורסם בשנת 2024 על ידי Canciani et al., החוקרים בדקו את הטכניקה הזו עם חומר סוללה חלופי, ליתיום קובלט ניקל תחמוצת מנגן (NMC). על ידי הפעלת גלים על-קוליים בתדר ומשרעת ספציפיים, הם מצאו כי קוויטציה על-קולית מפחיתה את זמן השטיפה ביותר מ-80%. התהליך עבר משעות לדקות ספורות, והציע שיפור מהפכני ביעילות.

תפקיד הסוניקציה בשטיפה משופרת: המדע מאחורי העברת מסה ומהירות

סוניקציה לא רק מאיצה את השטיפה; הוא משנה את האופן שבו התמיסה החומצית מתקשרת עם חלקיקי הסוללה. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה יוצר מיליוני בועות מיקרוסקופיות שקורסות במהירות בתמיסה, תופעה המכונה קוויטציה. פעולה זו יוצרת כוחות מקומיים עזים המפרקים חלקיקי שטח ומגבירים את האינטראקציה בין החומצה למתכות בתוך חומר הסוללה.
על פי Canciani et al. (2024), לתהליך זה שתי השפעות עיקריות על חומרי הסוללה: הוא מגדיל את נקבוביות החלקיקים ומקטין את גודלם, מה שמוביל לעלייה דרמטית בשטח הפנים. עם שטח פנים גדול יותר, החומצה יכולה לקיים אינטראקציה נרחבת יותר עם החומר, ובכך להקל על שטיפה מהירה יותר. החוקרים הבחינו כי נפח הנקבוביות בדגימות סוניות גדל בסדר גודל בהשוואה לאלה שעובדו באופן קונבנציונלי, מה שיצר מסלולים נוספים עבור החומצה להמיס את תכולת המתכת.

תמונות SEM עבור חלקיקים בזמנים שונים של שטיפה קונבנציונלית (a-c) ועל-קולית (d-f).
תמונה ומחקר: © Canciani et al., 2024

שטיפה קולית: תכונות הובלה משופרות ומיקרו-ערבוב

המחקר מציע גם כי קוויטציה קולית לא רק משפרת את מגע פני השטח, אלא גם משפרת באופן משמעותי את תכונות התחבורה. בעיקרו של דבר, משמעות הדבר היא שפיזור החומצה על פני חלקיקי הסוללה הופך אחיד יותר, כאשר מיקרו-ערבוב המושרה על ידי קוויטציה מבטיח חשיפה אחידה. זה מוביל לסביבת תגובה הומוגנית, המאפשרת לחומצה להמיס מתכות בצורה יעילה ואחידה יותר.
ממצא בולט נוסף הוא שהיתרונות של קוויטציה על-קולית משתרעים מעבר להקטנת גודל החלקיקים. החוקרים מצאו כי קוויטציה משנה את מנגנון האינטראקציה בין החומצה לבין החלקיקים, ככל הנראה בשל שיפור בשינוע שכבת הגבול. במילים פשוטות, קוויטציה מפחיתה את עובי השכבה הנוזלית המקיפה כל חלקיק, ומאפשרת המסה מהירה יותר של מתכות.

התפלגות גודל חלקיקים לאחר שטיפה קולית וקונבנציונלית
תמונה ומחקר: © Canciani et al., 2024

יתרונות לכרייה עירונית וקיימות

האפקטיביות של סוניקציה במחזור סוללות טומנת בחובה פוטנציאל עצום לעתיד הכרייה העירונית והשבת משאבים בת קיימא. ממצאי Canciani et al. (2024) מצביעים על כך שסוניקציה תחליף או תפחית את ההסתמכות על פרקטיקות מזיקות לסביבה על ידי:

• הפחתת השימוש בכימיקלים: שטיפה משופרת באולטרסאונד מאפשרת שימוש בממיסים ירוקים יותר כמו חומצה אצטית במקום חומצות קשות יותר הדרושות בדרך כלל לשטיפה קונבנציונלית.
• הפחתת דרישות האנרגיה: עם סוניקציה, שטיפה מתרחשת במהירות בטמפרטורת החדר ולא דורשת חימום ממושך, אשר מפחית את צריכת האנרגיה ואת פליטת המזהמים.
• הגברת התאוששות החומרים: אינטראקציה משופרת עם פני השטח ונקבוביות משופרת ממקסם את שיעורי ההתאוששות של מתכות יקרות, מה שהופך את תהליך המיחזור לכדאיות כלכלית וידידותי לסביבה.

השפעה רחבה יותר על תעשיית הסוללות

ככל שכלי הרכב החשמליים וטכנולוגיות האנרגיה המתחדשת מתרחבים, הביקוש לסוללות, ובהרחבה, למתכות שבהם, מרקיע שחקים. כרייה עירונית עם מיחזור משופר סוניקציה מציעה אמצעי לשחזור מתכות אלה באופן בר-קיימא, מפחיתה את הנטל הסביבתי על הכרייה ומציעה גישה סגורה לייצור וסילוק סוללות.
הרחבת שיטות מיחזור מבוססות סוניקציה, אופטימיזציה של שילובי ממסים ושיפור היישום של גלים על-קוליים יגבירו עוד יותר את היעילות. Hielscher Ultrasonics ימליץ בשמחה על תצורת הסוניקטור המוטבעת האידיאלית לתהליך השטיפה שלך. צרו קשר עכשיו!

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.

Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו: