Pencucian Ultrasonik Mengubah Daur Ulang Baterai dan Penambangan Perkotaan

Baterai bekas dan limbah elektronik dikemas dengan bahan-bahan berharga seperti lithium, nikel, mangan, dan kobalt, yang penting untuk meningkatnya permintaan di sektor energi terbarukan dan kendaraan listrik. Penambangan perkotaan — proses reklamasi logam ini dari baterai yang dibuang dan limbah elektronik lainnya — adalah rute yang menjanjikan menuju ekonomi sirkular, mengurangi kebutuhan akan penambangan perawan dan meminimalkan limbah. Teknik utama di bidang ini adalah sonikasi, yang telah menunjukkan manfaat luar biasa dalam meningkatkan tingkat pemulihan logam, menurunkan waktu pemrosesan, dan meningkatkan keberlanjutan.

Kekuatan Sonikasi dalam Daur Ulang Baterai dan Penambangan Perkotaan: Pengubah Permainan untuk Pemulihan Sumber Daya Berkelanjutan

Sebuah studi baru-baru ini oleh Canciani et al. (2024) mengeksplorasi efek kavitasi ultrasonik — gelombang kejut kecil yang diciptakan oleh gelombang ultrasound intensitas tinggi — pada proses pencucian untuk daur ulang baterai. Penelitian mereka menunjukkan bahwa sonikasi bukan hanya peningkatan sederhana pada daur ulang tradisional; Ini secara mendasar mengubah bagaimana proses daur ulang berinteraksi dengan bahan baterai, membuatnya lebih cepat, lebih efisien, dan tidak terlalu bergantung pada bahan kimia keras.
Baca lebih lanjut tentang temuan penelitian di bawah ini!

Pencucian asam yang ditingkatkan secara ultrasonik beroperasi pada kecepatan dua belas kali lebih cepat daripada pencucian asam konvensional, karena aksi mekanis yang menguntungkan dari gelembung kavitasi yang meledak di dekat permukaan. Fenomena ini meningkatkan pencampuran larutan asam, sehingga meningkatkan sifat transportasi.
Gambar dan studi: © Canciani et al., 2024

Bagaimana Sonikasi Bekerja dalam Daur Ulang Baterai

Dalam daur ulang baterai pada umumnya, bahan katoda (yang mengandung logam berharga) dilarutkan dalam larutan asam, sebuah proses yang disebut “Pencucian.” Pendekatan ini memungkinkan pemisahan dan pemulihan logam dari struktur padat baterai. Namun, pencucian konvensional memakan waktu, seringkali memakan waktu berjam-jam untuk mencapai pemulihan logam yang signifikan. Ini juga membutuhkan asam kuat dan suhu tinggi, meningkatkan kekhawatiran atas dampak lingkungan.
Sonikasi mengubah proses ini dengan menambahkan gelombang ultrasonik langsung ke dalam larutan pencucian. Dalam studi yang diterbitkan tahun 2024 oleh Canciani et al., para peneliti menguji teknik ini dengan bahan baterai pengganti, lithium kobalt nikel mangan oksida (NMC). Dengan menerapkan gelombang ultrasonik pada frekuensi dan amplitudo tertentu, mereka menemukan bahwa kavitasi ultrasonik mengurangi waktu pencucian lebih dari 80%. Prosesnya berubah dari memakan waktu berjam-jam menjadi hitungan menit, menawarkan peningkatan efisiensi yang revolusioner.

Peran Sonikasi dalam Pencucian yang Ditingkatkan: Ilmu di Balik Transfer Massa dan Kecepatan

Sonikasi tidak hanya mempercepat pencucian; Ini mengubah cara larutan asam berinteraksi dengan partikel baterai. Ultrasonografi berdaya tinggi menciptakan jutaan gelembung mikroskopis yang dengan cepat runtuh dalam larutan, sebuah fenomena yang dikenal sebagai kavitasi. Tindakan ini menghasilkan gaya lokal yang kuat yang memecah partikel permukaan dan meningkatkan interaksi antara asam dan logam di dalam bahan baterai.
Menurut Canciani et al. (2024), proses ini memiliki dua efek utama pada bahan baterai: meningkatkan porositas partikel dan mengurangi ukurannya, yang menyebabkan peningkatan luas permukaan yang dramatis. Dengan luas permukaan yang lebih besar, asam dapat berinteraksi lebih luas dengan material, sehingga memfasilitasi pencucian yang lebih cepat. Para penulis mengamati bahwa volume pori dalam sampel yang disonikasi meningkat dengan urutan besarnya dibandingkan dengan yang diproses secara konvensional, menciptakan lebih banyak jalur bagi asam untuk melarutkan kandungan logam.

Gambar SEM untuk partikel pada waktu yang berbeda dari pencucian konvensional (a–c) dan ultrasonik (d–f).
Gambar dan studi: © Canciani et al., 2024

Pencucian Ultrasonik: Peningkatan Sifat Transportasi dan Pencampuran Mikro

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

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

Manfaat untuk Pertambangan Perkotaan dan Keberlanjutan

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

• Mengurangi Penggunaan Bahan Kimia: Pencucian yang ditingkatkan secara ultrasonik memungkinkan penggunaan pelarut yang lebih ramah lingkungan seperti asam asetat daripada asam yang lebih keras yang biasanya diperlukan untuk pencucian konvensional.
• Menurunkan Kebutuhan Energi: Dengan sonikasi, pencucian terjadi dengan cepat pada suhu kamar daripada membutuhkan pemanasan yang lama, yang mengurangi konsumsi energi dan emisi.
• Meningkatkan Pemulihan Material: Interaksi permukaan yang ditingkatkan dan porositas yang ditingkatkan memaksimalkan tingkat pemulihan logam berharga, membuat proses daur ulang layak secara ekonomi dan ramah lingkungan.

Dampak yang Lebih Luas pada Industri Baterai

Seiring berkembangnya EV dan teknologi energi terbarukan, permintaan akan baterai dan, dengan perluasan, logam di dalamnya, melonjak. Penambangan perkotaan dengan daur ulang yang ditingkatkan sonikasi menawarkan sarana untuk memulihkan logam-logam ini secara berkelanjutan, mengurangi beban lingkungan pada penambangan dan menawarkan pendekatan loop tertutup untuk produksi dan pembuangan baterai.
Meningkatkan metode daur ulang berbasis sonikasi, mengoptimalkan kombinasi pelarut, dan menyempurnakan penerapan gelombang ultrasonik akan semakin meningkatkan efisiensi. Hielscher Ultrasonics akan dengan senang hati merekomendasikan konfigurasi inline sonicator yang ideal untuk proses pencucian Anda. Hubungi kami sekarang!

Desain, Manufaktur, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Ultrasonicators Hielscher terkenal dengan kualitas dan standar desainnya yang tertinggi. Ketahanan dan pengoperasian yang mudah memungkinkan integrasi ultrasonicator kami ke dalam fasilitas industri. Kondisi kasar dan lingkungan yang menuntut mudah ditangani oleh ultrasonicator Hielscher.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikat ISO dan memberikan penekanan khusus pada ultrasonicators berkinerja tinggi yang menampilkan teknologi canggih dan keramahan pengguna. Tentu saja, ultrasonicators Hielscher sesuai dengan CE dan memenuhi persyaratan UL, CSA dan RoHs.

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: