Ługowanie ultradźwiękowe zmienia recykling baterii i górnictwo miejskie

Zużyte baterie i odpady elektroniczne zawierają mnóstwo cennych materiałów, takich jak lit, nikiel, mangan i kobalt, niezbędnych do zaspokojenia rosnącego zapotrzebowania w sektorach energii odnawialnej i pojazdów elektrycznych. Górnictwo miejskie – proces odzyskiwania tych metali z wyrzuconych baterii i innych odpadów elektronicznych – jest obiecującą drogą do gospodarki o obiegu zamkniętym, ograniczającą potrzebę wydobycia surowców pierwotnych i minimalizującą ilość odpadów. Kluczową techniką w tej dziedzinie jest sonikacja, która wykazała ogromne korzyści w zwiększaniu stopnia odzysku metali, skracaniu czasu przetwarzania i poprawie zrównoważonego charakteru procesów.

Siła sonikacji w recyklingu baterii i górnictwie miejskim: przełom w zrównoważonym odzysku zasobów

Niedawne badanie Canciani i wsp. (2024) analizuje wpływ kawitacji ultradźwiękowej – niewielkich fal uderzeniowych powstających wskutek działania fal ultradźwiękowych o wysokim natężeniu – na proces ługowania w recyklingu baterii. Badania te pokazują, że sonikacja nie jest jedynie niewielkim usprawnieniem tradycyjnego recyklingu; zasadniczo zmienia sposób oddziaływania procesu recyklingu na materiał baterii, czyniąc go szybszym, wydajniejszym i mniej zależnym od agresywnych substancji chemicznych.
Przeczytaj więcej o wynikach badania poniżej!

Ługowanie kwasowe wspomagane ultradźwiękami przebiega dwanaście razy szybciej niż konwencjonalne ługowanie kwasowe dzięki korzystnemu mechanicznemu działaniu pęcherzyków kawitacyjnych pękających w pobliżu powierzchni. Zjawisko to poprawia mieszanie roztworu kwasu, zwiększając tym samym właściwości transportowe.
Ilustracja i badanie: © Canciani et al., 2024

Jak działa sonikacja w recyklingu baterii

W typowym recyklingu baterii materiały katodowe (zawierające cenne metale) rozpuszcza się w roztworze kwasu w procesie zwanym „ługowaniem”. Podejście to umożliwia oddzielanie i odzyskiwanie metali ze stałej struktury baterii. Konwencjonalne ługowanie jest jednak czasochłonne i często wymaga wielu godzin, aby uzyskać znaczny odzysk metali. Wymaga również silnych kwasów i wysokich temperatur, co budzi obawy dotyczące wpływu na środowisko.
Sonikacja zmienia ten proces poprzez wprowadzanie fal ultradźwiękowych bezpośrednio do roztworu ługującego. W badaniu Canciani i wsp. opublikowanym w 2024 roku naukowcy przetestowali tę technikę na zastępczym materiale baterii, tlenku litowo-kobaltowo-niklowo-manganowym (NMC). Stosując fale ultradźwiękowe o określonej częstotliwości i amplitudzie, stwierdzili, że kawitacja ultradźwiękowa skraca czas ługowania o ponad 80%. Czas procesu skrócił się z wielu godzin do zaledwie kilku minut, zapewniając rewolucyjną poprawę wydajności.

Rola sonikacji w usprawnianiu ługowania: naukowe podstawy transportu masy i szybkości procesu

Sonikacja nie tylko przyspiesza ługowanie; zmienia sposób, w jaki roztwór kwasu oddziałuje z cząstkami materiału baterii. Ultradźwięki o dużej mocy wytwarzają miliony mikroskopijnych pęcherzyków, które gwałtownie zapadają się w roztworze – zjawisko to nazywa się kawitacją. Działanie to generuje silne lokalne siły, które rozbijają cząstki na powierzchni i zwiększają oddziaływanie między kwasem a metalami zawartymi w materiale baterii.
Według Canciani i wsp. (2024) proces ten wywiera dwa główne skutki na materiały baterii: zwiększa porowatość cząstek i zmniejsza ich rozmiar, prowadząc do znacznego zwiększenia powierzchni. Dzięki większej powierzchni kwas może oddziaływać z materiałem w większym zakresie, ułatwiając tym samym szybsze ługowanie. Autorzy zaobserwowali, że objętość porów w próbkach poddanych sonikacji wzrosła o rząd wielkości w porównaniu z próbkami przetwarzanymi konwencjonalnie, tworząc więcej dróg dostępu dla kwasu rozpuszczającego zawarte w nich metale.

Obrazy SEM cząstek w różnych momentach ługowania konwencjonalnego (a–c) i ultradźwiękowego (d–f).
Ilustracja i badanie: © Canciani et al., 2024

Ługowanie ultradźwiękowe: poprawa właściwości transportowych i mikromieszania

Badanie sugeruje również, że kawitacja ultradźwiękowa nie tylko zwiększa kontakt z powierzchnią, ale także znacznie poprawia właściwości transportowe. Zasadniczo oznacza to, że rozkład kwasu na cząstkach materiału baterii staje się bardziej jednorodny, a mikromieszanie wywołane kawitacją zapewnia równomierną ekspozycję na jego działanie. Prowadzi to do ujednolicenia środowiska reakcji, umożliwiając kwasowi skuteczniejsze i bardziej równomierne rozpuszczanie metali.
Innym istotnym ustaleniem jest to, że korzyści płynące z kawitacji ultradźwiękowej wykraczają poza zmniejszenie rozmiaru cząstek. Naukowcy stwierdzili, że kawitacja zmienia mechanizm oddziaływania między kwasem a cząstkami, prawdopodobnie dzięki poprawie transportu w warstwie granicznej. Mówiąc prościej, kawitacja zmniejsza grubość warstwy cieczy otaczającej każdą cząstkę, umożliwiając szybsze rozpuszczanie metali.

Rozkłady wielkości cząstek po ługowaniu ultradźwiękowym i konwencjonalnym
Ilustracja i badanie: © Canciani et al., 2024

Korzyści dla górnictwa miejskiego i zrównoważonego rozwoju

Skuteczność sonikacji w recyklingu baterii niesie ogromny potencjał dla przyszłości górnictwa miejskiego i zrównoważonego odzysku zasobów. Wyniki Canciani i wsp. (2024) wskazują, że sonikacja zastąpi praktyki szkodliwe dla środowiska lub ograniczy zależność od nich poprzez:

• Ograniczenie zużycia substancji chemicznych: Ługowanie wspomagane ultradźwiękami umożliwia stosowanie bardziej przyjaznych dla środowiska rozpuszczalników, takich jak kwas octowy, zamiast bardziej agresywnych kwasów zwykle potrzebnych do konwencjonalnego ługowania.
• Zmniejszenie zapotrzebowania na energię: Dzięki sonikacji ługowanie zachodzi szybko w temperaturze pokojowej, zamiast wymagać długotrwałego ogrzewania, co zmniejsza zużycie energii i emisje.
• Zwiększenie odzysku materiałów: Lepsze oddziaływanie z powierzchnią i zwiększona porowatość maksymalizują stopień odzysku cennych metali, czyniąc proces recyklingu opłacalnym ekonomicznie i przyjaznym dla środowiska.

Szerszy wpływ na branżę baterii

Wraz z rozwojem pojazdów elektrycznych i technologii energii odnawialnej gwałtownie rośnie zapotrzebowanie na baterie, a tym samym na zawarte w nich metale. Górnictwo miejskie wykorzystujące recykling wspomagany sonikacją oferuje sposób na zrównoważone odzyskiwanie tych metali, zmniejszając obciążenie środowiska związane z wydobyciem i umożliwiając podejście oparte na obiegu zamkniętym w produkcji baterii i ich zagospodarowaniu po zużyciu.
Zwiększanie skali metod recyklingu opartych na sonikacji, optymalizacja kombinacji rozpuszczalników i doskonalenie stosowania fal ultradźwiękowych dodatkowo zwiększą wydajność. Hielscher Ultrasonics chętnie zaleci idealną konfigurację sonikatora do pracy w przepływie dla Twojego procesu ługowania. Skontaktuj się z nami już teraz!

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i najwyższych standardów projektowania. Wytrzymałość i łatwa obsługa umożliwiają bezproblemową integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającym środowiskiem pracy.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wyróżniające się najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z wymaganiami CE i spełniają wymagania UL, CSA oraz RoHs.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: