Pelindian Ultrasonik Mengubah Daur Ulang Baterai dan Pertambangan Perkotaan

Baterai bekas dan limbah elektronik mengandung banyak bahan berharga seperti litium, nikel, mangan, dan kobalt, yang sangat penting untuk memenuhi permintaan yang terus meningkat di sektor energi terbarukan dan kendaraan listrik. Pertambangan perkotaan – proses memperoleh kembali logam-logam ini dari baterai yang dibuang dan limbah elektronik lainnya – merupakan jalur yang menjanjikan menuju ekonomi sirkular, mengurangi kebutuhan akan penambangan bahan baku primer dan meminimalkan limbah. Teknik utama dalam bidang ini adalah sonikasi, yang telah menunjukkan manfaat besar dalam meningkatkan tingkat perolehan kembali logam, memperpendek waktu pemrosesan, dan meningkatkan keberlanjutan.

Kekuatan Sonikasi dalam Daur Ulang Baterai dan Pertambangan Perkotaan: Terobosan untuk Perolehan Kembali Sumber Daya secara Berkelanjutan

Studi terbaru oleh Canciani et al. (2024) meneliti pengaruh kavitasi ultrasonik – gelombang kejut kecil yang dihasilkan oleh gelombang ultrasonik berintensitas tinggi – terhadap proses pelindian untuk daur ulang baterai. Penelitian mereka menunjukkan bahwa sonikasi bukan sekadar peningkatan kecil pada daur ulang konvensional; sonikasi secara mendasar mengubah cara proses daur ulang berinteraksi dengan bahan baterai, sehingga prosesnya menjadi lebih cepat, lebih efisien, dan lebih sedikit bergantung pada bahan kimia agresif.
Baca lebih lanjut tentang temuan studi tersebut di bawah ini!

Pelindian asam yang ditingkatkan dengan ultrasonik berlangsung dengan laju dua belas kali lebih cepat daripada pelindian asam konvensional, berkat aksi mekanis yang menguntungkan dari gelembung kavitasi yang pecah di dekat permukaan. Fenomena ini memperbaiki pencampuran larutan asam, sehingga meningkatkan karakteristik transport.
Gambar dan studi: © Canciani et al., 2024

Cara Kerja Sonikasi dalam Daur Ulang Baterai

Dalam daur ulang baterai pada umumnya, bahan katode (yang mengandung logam berharga) dilarutkan dalam larutan asam, suatu proses yang disebut “pelindian”. Pendekatan ini memungkinkan pemisahan dan perolehan kembali logam dari struktur padat baterai. Namun, pelindian konvensional membutuhkan waktu lama, sering kali berjam-jam untuk mencapai perolehan kembali logam yang signifikan. Proses ini juga memerlukan asam kuat dan suhu tinggi, sehingga menimbulkan kekhawatiran mengenai dampaknya terhadap lingkungan.
Sonikasi mengubah proses ini dengan memasukkan gelombang ultrasonik langsung ke dalam larutan pelindian. Dalam studi yang diterbitkan pada 2024 oleh Canciani et al., para peneliti menguji teknik ini menggunakan bahan pengganti baterai, yaitu litium kobalt nikel mangan oksida (NMC). Dengan menerapkan gelombang ultrasonik pada frekuensi dan amplitudo tertentu, mereka menemukan bahwa kavitasi ultrasonik mengurangi waktu pelindian lebih dari 80%. Proses yang sebelumnya memerlukan waktu berjam-jam menjadi hanya beberapa menit, memberikan peningkatan efisiensi yang revolusioner.

Peran Sonikasi dalam Peningkatan Pelindian: Ilmu di Balik Perpindahan Massa dan Kecepatan

Sonikasi tidak hanya mempercepat pelindian; sonikasi mengubah cara larutan asam berinteraksi dengan partikel baterai. Gelombang ultrasonik berdaya tinggi menghasilkan jutaan gelembung mikroskopis yang dengan cepat runtuh di dalam larutan, suatu fenomena yang dikenal sebagai kavitasi. Aksi ini menghasilkan gaya lokal yang kuat, yang memecah partikel pada permukaan dan meningkatkan interaksi antara asam dan logam di dalam bahan baterai.
Menurut Canciani et al. (2024), proses ini memiliki dua pengaruh utama terhadap bahan baterai: meningkatkan porositas partikel dan memperkecil ukurannya, sehingga luas permukaannya meningkat secara drastis. Dengan luas permukaan yang lebih besar, asam dapat berinteraksi lebih luas dengan bahan tersebut, sehingga memudahkan pelindian yang lebih cepat. Para penulis mengamati bahwa volume pori pada sampel yang disonikasi meningkat satu orde magnitudo dibandingkan dengan sampel yang diproses secara konvensional, sehingga menciptakan lebih banyak jalur bagi asam untuk melarutkan kandungan logam.

Citra SEM partikel pada berbagai waktu pelindian konvensional (a–c) dan ultrasonik (d–f).
Gambar dan studi: © Canciani et al., 2024

Pelindian Ultrasonik: Peningkatan Karakteristik Transport dan Pencampuran Mikro

Studi tersebut juga menunjukkan bahwa kavitasi ultrasonik tidak hanya meningkatkan kontak permukaan, tetapi juga secara signifikan memperbaiki karakteristik transport. Pada dasarnya, ini berarti distribusi asam di seluruh partikel baterai menjadi lebih seragam, dengan pencampuran mikro yang diinduksi kavitasi memastikan paparan yang merata. Hal ini menghasilkan lingkungan reaksi yang homogen, sehingga asam dapat melarutkan logam secara lebih efektif dan merata.
Temuan penting lainnya adalah bahwa manfaat kavitasi ultrasonik melampaui pengecilan ukuran partikel. Para peneliti menemukan bahwa kavitasi mengubah mekanisme interaksi antara asam dan partikel, kemungkinan karena peningkatan transport melalui lapisan batas. Secara sederhana, kavitasi mengurangi ketebalan lapisan cairan yang mengelilingi setiap partikel, sehingga memungkinkan pelarutan logam yang lebih cepat.

Distribusi ukuran partikel setelah pelindian ultrasonik dan konvensional
Gambar dan studi: © Canciani et al., 2024

Manfaat bagi Pertambangan Perkotaan dan Keberlanjutan

Efektivitas sonikasi dalam daur ulang baterai memiliki potensi yang sangat besar bagi masa depan pertambangan perkotaan dan perolehan kembali sumber daya secara berkelanjutan. Temuan Canciani et al. (2024) menunjukkan bahwa sonikasi akan menggantikan atau mengurangi ketergantungan pada praktik yang merusak lingkungan dengan:

• Mengurangi Penggunaan Bahan Kimia: Pelindian yang ditingkatkan dengan ultrasonik memungkinkan penggunaan pelarut yang lebih ramah lingkungan seperti asam asetat, sebagai pengganti asam yang lebih agresif yang biasanya diperlukan untuk pelindian konvensional.
• Menurunkan Kebutuhan Energi: Dengan sonikasi, pelindian berlangsung cepat pada suhu kamar tanpa memerlukan pemanasan berkepanjangan, sehingga mengurangi konsumsi energi dan emisi.
• Meningkatkan Perolehan Kembali Bahan: Interaksi permukaan yang lebih baik dan peningkatan porositas memaksimalkan tingkat perolehan kembali logam berharga, sehingga proses daur ulang menjadi layak secara ekonomi dan ramah lingkungan.

Dampak yang Lebih Luas terhadap Industri Baterai

Seiring berkembangnya kendaraan listrik dan teknologi energi terbarukan, permintaan akan baterai dan, dengan demikian, logam di dalamnya meningkat pesat. Pertambangan perkotaan dengan daur ulang yang ditingkatkan melalui sonikasi menawarkan cara untuk memperoleh kembali logam-logam ini secara berkelanjutan, mengurangi beban lingkungan akibat penambangan, dan menawarkan pendekatan siklus tertutup untuk produksi serta pembuangan baterai.
Peningkatan skala metode daur ulang berbasis sonikasi, optimalisasi kombinasi pelarut, dan penyempurnaan penerapan gelombang ultrasonik akan semakin meningkatkan efisiensi. Hielscher Ultrasonics dengan senang hati akan merekomendasikan konfigurasi sonikator inline yang ideal untuk proses pelindian Anda. Hubungi kami sekarang!

Desain, Manufaktur, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Sonikator Hielscher terkenal dengan standar kualitas dan desain tertinggi. Ketangguhan dan kemudahan pengoperasian memungkinkan integrasi sonikator kami ke dalam fasilitas industri secara lancar. Sonikator Hielscher mampu menangani kondisi berat dan lingkungan yang menuntut dengan mudah.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikat ISO dan memberikan perhatian khusus pada sonikator berkinerja tinggi yang dilengkapi teknologi mutakhir serta mudah digunakan. Tentu saja, sonikator Hielscher memenuhi ketentuan CE dan persyaratan UL, CSA, serta RoHs.

Tabel di bawah ini memberikan gambaran tentang perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami: