La lisciviazione a ultrasuoni trasforma il riciclo delle batterie e l’estrazione mineraria urbana

Le batterie usate e i rifiuti elettronici sono ricchi di materiali preziosi come litio, nichel, manganese e cobalto, essenziali per soddisfare la crescente domanda nei settori delle energie rinnovabili e dei veicoli elettrici. L’estrazione mineraria urbana – il processo di recupero di questi metalli dalle batterie dismesse e da altri rifiuti elettronici – rappresenta una strada promettente verso un’economia circolare, riducendo la necessità di estrarre materie prime vergini e minimizzando i rifiuti. Una tecnica fondamentale in questo settore è la sonicazione, che ha dimostrato enormi vantaggi nell’aumentare i tassi di recupero dei metalli, ridurre i tempi di trattamento e migliorare la sostenibilità.

La potenza della sonicazione nel riciclo delle batterie e nell’estrazione mineraria urbana: una svolta per il recupero sostenibile delle risorse

Un recente studio di Canciani et al. (2024) esplora gli effetti della cavitazione ultrasonica – minuscole onde d’urto create da onde ultrasoniche ad alta intensità – sul processo di lisciviazione per il riciclo delle batterie. La ricerca dimostra che la sonicazione non costituisce soltanto un modesto miglioramento del riciclo tradizionale; cambia radicalmente il modo in cui il processo di riciclo interagisce con il materiale delle batterie, rendendolo più rapido, più efficiente e meno dipendente da sostanze chimiche aggressive.
Scoprite di seguito maggiori dettagli sui risultati dello studio!

La lisciviazione acida potenziata dagli ultrasuoni procede a una velocità dodici volte superiore rispetto alla lisciviazione acida convenzionale, grazie alla benefica azione meccanica delle bolle di cavitazione che implodono vicino alla superficie. Questo fenomeno migliora la miscelazione della soluzione acida, potenziando così le proprietà di trasporto.
Immagine e studio: © Canciani et al., 2024

Come funziona la sonicazione nel riciclo delle batterie

Nel riciclo tipico delle batterie, i materiali catodici (che contengono metalli preziosi) vengono disciolti in una soluzione acida, mediante un processo chiamato “lisciviazione”. Questo approccio consente di separare e recuperare i metalli dalla struttura solida della batteria. Tuttavia, la lisciviazione convenzionale richiede molto tempo, spesso diverse ore per ottenere un recupero significativo dei metalli. Richiede inoltre acidi forti e temperature elevate, suscitando preoccupazioni per l’impatto ambientale.
La sonicazione trasforma questo processo introducendo onde ultrasoniche direttamente nella soluzione di lisciviazione. Nello studio pubblicato nel 2024 da Canciani et al., i ricercatori hanno testato questa tecnica con un materiale sostitutivo per batterie, l’ossido di litio, cobalto, nichel e manganese (NMC). Applicando onde ultrasoniche a una frequenza e un’ampiezza specifiche, hanno riscontrato che la cavitazione ultrasonica riduce il tempo di lisciviazione di oltre l’80%. Il processo è passato da una durata di ore a pochi minuti, offrendo un miglioramento rivoluzionario dell’efficienza.

Il ruolo della sonicazione nel potenziamento della lisciviazione: la scienza alla base del trasferimento di massa e della velocità

La sonicazione non si limita ad accelerare la lisciviazione; cambia il modo in cui la soluzione acida interagisce con le particelle della batteria. Gli ultrasuoni ad alta potenza creano milioni di bolle microscopiche che collassano rapidamente nella soluzione, un fenomeno noto come cavitazione. Questa azione genera intense forze locali che disgregano le particelle superficiali e aumentano l’interazione tra l’acido e i metalli all’interno del materiale della batteria.
Secondo Canciani et al. (2024), questo processo ha due effetti principali sui materiali delle batterie: aumenta la porosità delle particelle e ne riduce le dimensioni, determinando un notevole aumento dell’area superficiale. Con un’area superficiale maggiore, l’acido può interagire più estesamente con il materiale, facilitando così una lisciviazione più rapida. Gli autori hanno osservato che il volume dei pori nei campioni sottoposti a sonicazione aumentava di un ordine di grandezza rispetto a quelli trattati in modo convenzionale, creando più vie attraverso le quali l’acido può dissolvere il contenuto metallico.

Immagini SEM delle particelle in diversi momenti della lisciviazione convenzionale (a–c) e a ultrasuoni (d–f).
Immagine e studio: © Canciani et al., 2024

Lisciviazione a ultrasuoni: proprietà di trasporto migliorate e micromiscelazione

Lo studio suggerisce inoltre che la cavitazione ultrasonica non solo migliora il contatto superficiale, ma potenzia anche significativamente le proprietà di trasporto. In sostanza, ciò significa che la distribuzione dell’acido sulle particelle della batteria diventa più uniforme, con la micromiscelazione indotta dalla cavitazione che garantisce un’esposizione omogenea. Questo crea un ambiente di reazione omogeneo, consentendo all’acido di dissolvere i metalli in modo più efficace e uniforme.
Un altro risultato degno di nota è che i benefici della cavitazione ultrasonica vanno oltre la riduzione delle dimensioni delle particelle. I ricercatori hanno riscontrato che la cavitazione modifica il meccanismo di interazione tra l’acido e le particelle, probabilmente grazie a un migliore trasporto attraverso lo strato limite. In termini semplici, la cavitazione riduce lo spessore dello strato liquido che circonda ciascuna particella, consentendo una dissoluzione più rapida dei metalli.

Distribuzioni granulometriche dopo la lisciviazione a ultrasuoni e convenzionale
Immagine e studio: © Canciani et al., 2024

Vantaggi per l’estrazione mineraria urbana e la sostenibilità

L’efficacia della sonicazione nel riciclo delle batterie offre un enorme potenziale per il futuro dell’estrazione mineraria urbana e del recupero sostenibile delle risorse. I risultati di Canciani et al. (2024) indicano che la sonicazione sostituirà o ridurrà il ricorso a pratiche dannose per l’ambiente attraverso:

• Riduzione dell’uso di sostanze chimiche: La lisciviazione potenziata dagli ultrasuoni consente di utilizzare solventi più ecologici, come l’acido acetico, al posto degli acidi più aggressivi generalmente necessari per la lisciviazione convenzionale.
• Riduzione del fabbisogno energetico: Con la sonicazione, la lisciviazione avviene rapidamente a temperatura ambiente anziché richiedere un riscaldamento prolungato, riducendo così il consumo energetico e le emissioni.
• Aumento del recupero dei materiali: Una migliore interazione superficiale e una maggiore porosità massimizzano i tassi di recupero dei metalli preziosi, rendendo il processo di riciclo economicamente sostenibile e rispettoso dell’ambiente.

Impatto più ampio sull’industria delle batterie

Con la diffusione dei veicoli elettrici e delle tecnologie per le energie rinnovabili, la domanda di batterie e, di conseguenza, dei metalli che contengono sta aumentando vertiginosamente. L’estrazione mineraria urbana con il riciclo potenziato dalla sonicazione offre un modo per recuperare questi metalli in maniera sostenibile, riducendo l’impatto ambientale dell’attività estrattiva e offrendo un approccio a ciclo chiuso alla produzione e allo smaltimento delle batterie.
Il passaggio su scala più ampia dei metodi di riciclo basati sulla sonicazione, l’ottimizzazione delle combinazioni di solventi e il perfezionamento dell’applicazione delle onde ultrasoniche aumenteranno ulteriormente l’efficienza. Hielscher Ultrasonics sarà lieta di consigliarvi la configurazione ideale del sonicatore in linea per il vostro processo di lisciviazione. Contattateci subito!

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono rinomati per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la semplicità d’uso consentono una facile integrazione dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano agevolmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni caratterizzati da tecnologia all’avanguardia e facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti di UL, CSA e RoHs.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: