מיצוי אולטרסוני בהמסה מחולל שינוי במחזור סוללות ובכרייה עירונית
סוללות משומשות ופסולת אלקטרונית גדושות בחומרים יקרי ערך כגון ליתיום, ניקל, מנגן וקובלט, החיוניים למענה על הביקוש הגובר בענפי האנרגיה המתחדשת והרכב החשמלי. כרייה עירונית – תהליך ההשבה של מתכות אלה מסוללות שהושלכו ומפסולת אלקטרונית אחרת – היא דרך מבטיחה לכלכלה מעגלית, המצמצמת את הצורך בכרייה של משאבים ראשוניים וממזערת פסולת. טכניקה מרכזית בתחום זה היא סוניקציה, שהדגימה יתרונות עצומים בהגדלת שיעורי השבת המתכות, בקיצור זמני העיבוד ובשיפור הקיימות.
כוחה של סוניקציה במחזור סוללות ובכרייה עירונית: פריצת דרך להשבת משאבים בת קיימא
מחקר שפורסם לאחרונה מאת Canciani ועמיתיו (2024) בוחן את השפעות הקוויטציה האולטרסונית – גלי הלם זעירים הנוצרים מגלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה – על תהליך המיצוי בהמסה למחזור סוללות. מחקרם מראה שסוניקציה אינה רק שיפור מתון של המחזור המסורתי; היא משנה מן היסוד את האופן שבו תהליך המחזור פועל על חומר הסוללה, והופכת אותו למהיר יותר, ליעיל יותר ולתלוי פחות בכימיקלים אגרסיביים.
קראו עוד על ממצאי המחקר בהמשך!
מיצוי בהמסה באמצעות חומצה בסיוע אולטרסאונד מתבצע בקצב מהיר פי שנים עשר ממיצוי רגיל בהמסה באמצעות חומצה, הודות לפעולה המכנית המועילה של בועות קוויטציה המתפוצצות סמוך לפני השטח. תופעה זו משפרת את ערבוב תמיסת החומצה, ובכך משפרת את תכונות ההעברה.
תמונה ומחקר: © Canciani et al., 2024
הסוניקטור UIP16000hdT מעבד באופן אמין תרחיפי פסולת המכילים מתכות בתפוקה גבוהה, ומקל על המיצוי בהמסה של מתכות יקרות ועפרות.
כיצד פועלת סוניקציה במחזור סוללות
במחזור סוללות טיפוסי, חומרי הקתודה (המכילים מתכות יקרות ערך) מומסים בתמיסה חומצית, בתהליך הנקרא "מיצוי בהמסה". גישה זו מאפשרת להפריד ולהשיב מתכות מהמבנה המוצק של הסוללה. עם זאת, מיצוי רגיל בהמסה הוא תהליך ממושך, שלעיתים קרובות נדרשות בו שעות להשגת השבה משמעותית של מתכות. הוא דורש גם חומצות חזקות וטמפרטורות גבוהות, דבר המעורר חששות בנוגע להשפעה הסביבתית.
סוניקציה משנה תהליך זה באמצעות החדרה של גלי אולטרסאונד ישירות לתמיסת המיצוי בהמסה. במחקר שפרסמו Canciani ועמיתיו בשנת 2024, החוקרים בדקו טכניקה זו באמצעות חומר המדמה חומר סוללה, תחמוצת ליתיום קובלט ניקל מנגן (NMC). באמצעות הפעלת גלי אולטרסאונד בתדר ובמשרעת מסוימים, הם מצאו שקוויטציה אולטרסונית מקצרת את זמן המיצוי בהמסה ביותר מ-80%. התהליך התקצר משעות לדקות ספורות, והביא לשיפור מהפכני ביעילות.
תפקידה של סוניקציה בשיפור המיצוי בהמסה: המדע שמאחורי מעבר המסה והמהירות
סוניקציה אינה רק מאיצה את המיצוי בהמסה; היא משנה את האופן שבו התמיסה החומצית באה במגע ופועלת עם חלקיקי הסוללה. אולטרסאונד בהספק גבוה יוצר מיליוני בועות מיקרוסקופיות הקורסות במהירות בתמיסה, תופעה המכונה קוויטציה. פעולה זו מייצרת כוחות מקומיים עזים המפרקים חלקיקים על פני השטח ומגבירים את האינטראקציה בין החומצה למתכות שבחומר הסוללה.
לפי Canciani ועמיתיו (2024), לתהליך זה יש שתי השפעות עיקריות על חומרי הסוללה: הוא מגדיל את נקבוביות החלקיקים ומקטין את גודלם, וכך מוביל לעלייה דרמטית בשטח הפנים. שטח פנים גדול יותר מאפשר לחומצה לפעול על החומר בהיקף נרחב יותר, ובכך מקל על מיצוי מהיר יותר בהמסה. המחברים הבחינו שנפח הנקבוביות בדגימות שעברו סוניקציה גדל בסדר גודל בהשוואה לדגימות שעובדו בדרך הרגילה, וכך נוצרו נתיבים רבים יותר שדרכם החומצה יכולה להמיס את תכולת המתכות.
תמונות SEM של חלקיקים בזמנים שונים במהלך מיצוי רגיל בהמסה (a–c) ומיצוי אולטרסוני בהמסה (d–f).
תמונה ומחקר: © Canciani et al., 2024
סוניקטורים למיצוי בהמסה במחזור סוללות ובכרייה עירונית.
מיצוי אולטרסוני בהמסה: תכונות מעבר משופרות וערבוב בקנה מידה מיקרוסקופי
המחקר גם מצביע על כך שקוויטציה אולטרסונית לא רק משפרת את המגע עם פני השטח, אלא גם משפרת משמעותית את תכונות המעבר. למעשה, משמעות הדבר היא שפיזור החומצה על פני חלקיקי הסוללה נעשה אחיד יותר, כאשר ערבוב בקנה מידה מיקרוסקופי הנגרם מקוויטציה מבטיח חשיפה אחידה. כך נוצרת סביבת תגובה הומוגנית, המאפשרת לחומצה להמיס מתכות ביעילות ובאחידות רבה יותר.
ממצא בולט נוסף הוא שיתרונות הקוויטציה האולטרסונית חורגים מהקטנת גודל החלקיקים. החוקרים מצאו שקוויטציה משנה את מנגנון האינטראקציה בין החומצה לחלקיקים, ככל הנראה עקב שיפור המעבר בשכבת הגבול. במילים פשוטות, קוויטציה מפחיתה את עובי שכבת הנוזל המקיפה כל חלקיק, ומאפשרת המסה מהירה יותר של מתכות.
התפלגויות גודל החלקיקים לאחר מיצוי אולטרסוני בהמסה ומיצוי קונבנציונלי בהמסה
תמונה ומחקר: © Canciani et al., 2024
יתרונות לכרייה עירונית ולקיימות
יעילות הסוניקציה במיחזור סוללות טומנת בחובה פוטנציאל עצום לעתיד הכרייה העירונית והשבת המשאבים באופן בר קיימא. ממצאיהם של Canciani ועמיתיו (2024) מצביעים על כך שסוניקציה תחליף שיטות הפוגעות בסביבה או תפחית את התלות בהן באמצעות:
- הפחתת השימוש בכימיקלים: מיצוי בהמסה המשופר באמצעות אולטרסאונד מאפשר שימוש בממסים ידידותיים יותר לסביבה, כגון חומצה אצטית, במקום בחומצות האגרסיביות יותר הנדרשות בדרך כלל למיצוי קונבנציונלי בהמסה.
- הפחתת דרישות האנרגיה: באמצעות סוניקציה, המיצוי בהמסה מתרחש במהירות בטמפרטורת החדר במקום לדרוש חימום ממושך, וכך מפחית את צריכת האנרגיה ואת הפליטות.
- הגדלת השבת החומרים: אינטראקציה משופרת עם פני השטח ונקבוביות מוגברת ממקסמות את שיעורי ההשבה של מתכות יקרות ערך, והופכות את תהליך המיחזור לכדאי מבחינה כלכלית ולידידותי לסביבה.
השפעה רחבה יותר על תעשיית הסוללות
עם התרחבות השימוש בכלי רכב חשמליים ובטכנולוגיות אנרגיה מתחדשת, הביקוש לסוללות, ובעקבותיו גם למתכות שבהן, מזנק. כרייה עירונית באמצעות מיחזור המשופר בסוניקציה מציעה דרך להשיב מתכות אלה באופן בר קיימא, תוך הפחתת הנטל הסביבתי הכרוך בכרייה ומתן גישה של מעגל סגור לייצור סוללות ולסילוקן.
הרחבת שיטות מיחזור המבוססות על סוניקציה לקני מידה גדולים יותר, אופטימיזציה של שילובי ממסים ושכלול יישום הגלים האולטרסוניים יגבירו עוד יותר את היעילות. Hielscher Ultrasonics תשמח להמליץ על התצורה האידיאלית של מכשיר סוניקציה לעבודה בקו לתהליך המיצוי בהמסה שלכם. צרו איתנו קשר עכשיו!
- יעילות גבוהה
- טכנולוגיה מהמתקדמות ביותר
- אמינות ועמידות
- בקרת תהליך מדויקת הניתנת לכוונון
- עיבוד באצווה ובקו
- לכל נפח
- תוכנה חכמה
- תכונות חכמות (למשל, אפשרות לתכנות, תיעוד נתונים, שליטה מרחוק)
- הפעלה קלה ובטוחה
- תחזוקה מועטה
- CIP (ניקוי במקום)
תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה
המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מוכרים בזכות תקני האיכות והתכנון הגבוהים ביותר שלהם. עמידות וקלות הפעלה מאפשרות שילוב חלק של המכשירים האולטרסוניים שלנו במתקנים תעשייתיים. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.
Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מהמתקדמות ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו־RoHs.
הטבלה שלהלן נותנת מושג על כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:
| נפח אצווה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 עד 150L | 3 עד 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | גבוהה יותר | מערך של UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומי ערבוב, פיזור, תחלוב ומיצוי בקנה מידה מעבדתי, בקנה מידה של פיילוט ובקנה מידה תעשייתי.
ספרות / מקורות
- 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.
שאלות נפוצות
מהו תהליך המיצוי בהמסה?
תהליך המיצוי בהמסה הוא שיטה להפקת מתכות בעלות ערך מחומרים מוצקים באמצעות המסתן בממס נוזלי, בדרך כלל בתמיסה חומצית. שיטה זו מפרקת את המטריצה המוצקה ומאפשרת ליוני המתכת לעבור לתמיסה, שממנה ניתן להמשיך לטהר ולהשיב אותם. מיצוי בהמסה נמצא בשימוש נרחב בכרייה ובמחזור להשבת מתכות מעפרות ומחומרי פסולת.
מה ההבדל בין מיצוי למיצוי בהמסה?
מיצוי ומיצוי בהמסה מתייחסים שניהם לתהליכים המשמשים להפרדת חומרים בעלי ערך מחומר מוצק, אך הם נבדלים בשיטות ובהקשרים שבהם הם משמשים. מיצוי מתייחס בדרך כלל למגוון רחב יותר של שיטות לסילוק חומר מסוים, לעיתים קרובות באמצעות ממסים המפרידים אותו ממרכיבים אחרים, והוא יכול לכלול שיטות פיזיקליות, כימיות או תרמיות שונות. מיצוי בהמסה, לעומת זאת, הוא סוג מסוים של מיצוי הכרוך בהמסת מתכות או מומסים אחרים מתוך מוצק לתוך נוזל, בדרך כלל באמצעות תמיסה חומצית או בסיסית. מיצוי בהמסה משמש בדרך כלל בתהליכי כרייה, מטלורגיה ומחזור. בעוד שמיצוי יכול לחול על מגוון חומרים, מיצוי בהמסה כרוך באופן ספציפי בסילוק בררני של חומרים מומסים מתוך מוצקים באמצעות ממסים נוזליים.
אילו חומרים משמשים בדרך כלל למיצוי בהמסה?
חומרים המשמשים בדרך כלל למיצוי בהמסה כוללים **חומצות**, **בסיסים** ו**ממסים**, בהתאם לחומר המעובד. חומרי מיצוי בהמסה נפוצים כוללים:
- חומצות:
- חומצה גופרתית: משמשת לעיתים קרובות למיצוי נחושת, ניקל ואורניום.
- חומצה הידרוכלורית: משמשת למיצוי בהמסה של מתכות כגון נחושת וזהב.
- חומצה חנקתית: משמשת בדרך כלל למיצוי בהמסה של מתכות יקרות, במיוחד זהב וכסף.
- חומצה אצטית: משמשת לעיתים בתהליכי מיצוי בהמסה ידידותיים לסביבה או המבוססים על חומרים אורגניים.
- בסיסים:
נתרן הידרוקסידי (סודה קאוסטית): משמש למיצוי אלומינה מעפרת בוקסיט או למיצוי בהמסה של מתכות מסוימות כגון זהב ואבץ. - ממסים:
- ציאניד: משמש בדרך כלל בכריית זהב וכסף למיצוי זהב בהמסה מעפרה (ציאנידציה).
- אמוניה: משמשת למיצוי בהמסה של נחושת ומתכות בסיס אחרות.
חומרים אלה מסייעים בהמסת מתכות או מינרלים מסוימים מתוך עפרות, חומרי פסולת או מוצקים אחרים, ובכך מקלים על השבת חומרים בעלי ערך.
