Leșierea cu ultrasunete transformă reciclarea bateriilor și mineritul urban

Bateriile uzate și deșeurile electronice sunt pline de materiale valoroase precum litiul, nichelul, manganul și cobaltul, esențiale pentru cererea în creștere din sectoarele energiei regenerabile și vehiculelor electrice. Mineritul urban – procesul de recuperare a acestor metale din bateriile aruncate și din alte deșeuri electronice – reprezintă o cale promițătoare către o economie circulară, reducând necesitatea exploatării miniere primare și minimizând deșeurile. O tehnică esențială în acest domeniu este sonicarea, care a demonstrat beneficii extraordinare în creșterea ratelor de recuperare a metalelor, reducerea timpilor de procesare și îmbunătățirea sustenabilității.

Puterea sonicării în reciclarea bateriilor și mineritul urban: o schimbare radicală pentru recuperarea durabilă a resurselor

Un studiu recent realizat de Canciani et al. (2024) investighează efectele cavitației ultrasonice – mici unde de șoc create de undele ultrasonice de mare intensitate – asupra procesului de leșiere pentru reciclarea bateriilor. Cercetarea lor arată că sonicarea nu este doar o îmbunătățire modestă a reciclării tradiționale; ea schimbă fundamental modul în care procesul de reciclare interacționează cu materialul bateriilor, făcându-l mai rapid, mai eficient și mai puțin dependent de substanțe chimice agresive.
Citiți mai multe despre rezultatele studiului mai jos!

Leșierea acidă intensificată cu ultrasunete se desfășoară la o viteză de douăsprezece ori mai mare decât leșierea acidă convențională, datorită acțiunii mecanice benefice a bulelor de cavitație care se sparg în apropierea suprafeței. Acest fenomen îmbunătățește amestecarea soluției acide, sporind astfel proprietățile de transport.
Imagine și studiu: © Canciani et al., 2024

Cum funcționează sonicarea în reciclarea bateriilor

În reciclarea tipică a bateriilor, materialele catodice (care conțin metale valoroase) sunt dizolvate într-o soluție acidă, un proces numit „leșiere”. Această abordare permite separarea și recuperarea metalelor din structura solidă a bateriei. Totuși, leșierea convențională necesită mult timp, fiind adesea nevoie de ore pentru a obține o recuperare semnificativă a metalelor. De asemenea, necesită acizi puternici și temperaturi ridicate, ceea ce ridică îngrijorări privind impactul asupra mediului.
Sonicarea transformă acest proces prin introducerea undelor ultrasonice direct în soluția de leșiere. În studiul publicat în 2024 de Canciani et al., cercetătorii au testat această tehnică pe un material surogat pentru baterii, oxidul de litiu-cobalt-nichel-mangan (NMC). Aplicând unde ultrasonice la o frecvență și o amplitudine specifice, au constatat că cavitația ultrasonică reduce timpul de leșiere cu peste 80%. Procesul a trecut de la o durată de ore la doar câteva minute, oferind o îmbunătățire revoluționară a eficienței.

Rolul sonicării în leșierea intensificată: știința din spatele transferului de masă și al vitezei

Sonicarea nu doar accelerează leșierea; ea schimbă modul în care soluția acidă interacționează cu particulele bateriei. Ultrasunetele de mare putere creează milioane de bule microscopice care colapsează rapid în soluție, un fenomen cunoscut sub numele de cavitație. Această acțiune generează forțe locale intense care descompun particulele de la suprafață și intensifică interacțiunea dintre acid și metalele din materialul bateriei.
Potrivit lui Canciani et al. (2024), acest proces are două efecte principale asupra materialelor bateriei: crește porozitatea particulelor și le reduce dimensiunea, ceea ce duce la o creștere spectaculoasă a suprafeței. Cu o suprafață mai mare, acidul poate interacționa mai extins cu materialul, facilitând astfel o leșiere mai rapidă. Autorii au observat că volumul porilor în probele sonicate a crescut cu un ordin de mărime comparativ cu cele procesate convențional, creând mai multe căi prin care acidul poate dizolva conținutul de metal.

Imagini SEM ale particulelor la diferite momente ale leșierii convenționale (a–c) și ultrasonice (d–f).
Imagine și studiu: © Canciani et al., 2024

Leșierea cu ultrasunete: proprietăți de transport îmbunătățite și micro-amestecare

Studiul sugerează, de asemenea, că cavitația ultrasonică nu doar îmbunătățește contactul de suprafață, ci ameliorează semnificativ și proprietățile de transport. În esență, aceasta înseamnă că distribuția acidului pe particulele bateriei devine mai uniformă, micro-amestecarea indusă de cavitație asigurând o expunere egală. Aceasta conduce la un mediu de reacție omogenizat, permițând acidului să dizolve metalele mai eficient și mai uniform.
O altă constatare notabilă este că beneficiile cavitației ultrasonice depășesc reducerea dimensiunii particulelor. Cercetătorii au descoperit că cavitația modifică mecanismul de interacțiune dintre acid și particule, probabil datorită transportului îmbunătățit prin stratul limită. În termeni simpli, cavitația reduce grosimea stratului de lichid din jurul fiecărei particule, permițând o dizolvare mai rapidă a metalelor.

Distribuțiile dimensiunii particulelor după leșierea ultrasonică și cea convențională
Imagine și studiu: © Canciani et al., 2024

Beneficii pentru mineritul urban și sustenabilitate

Eficacitatea sonicării în reciclarea bateriilor are un potențial enorm pentru viitorul mineritului urban și al recuperării durabile a resurselor. Rezultatele obținute de Canciani et al. (2024) indică faptul că sonicarea va înlocui practicile dăunătoare mediului sau va reduce dependența de acestea prin:

• Reducerea utilizării substanțelor chimice: Leșierea intensificată cu ultrasunete permite utilizarea unor solvenți mai ecologici, precum acidul acetic, în locul acizilor mai agresivi necesari de obicei în leșierea convențională.
• Reducerea necesarului de energie: Cu sonicare, leșierea are loc rapid la temperatura camerei, fără a necesita încălzire prelungită, ceea ce reduce consumul de energie și emisiile.
• Creșterea recuperării materialelor: Interacțiunea îmbunătățită la suprafață și porozitatea sporită maximizează ratele de recuperare a metalelor valoroase, făcând procesul de reciclare viabil din punct de vedere economic și prietenos cu mediul.

Impact mai larg asupra industriei bateriilor

Pe măsură ce vehiculele electrice și tehnologiile de energie regenerabilă se extind, cererea de baterii și, prin extensie, de metalele pe care acestea le conțin crește vertiginos. Mineritul urban cu reciclare intensificată prin sonicare oferă o modalitate de recuperare durabilă a acestor metale, reducând presiunea asupra mediului cauzată de exploatarea minieră și oferind o abordare în circuit închis pentru producția și eliminarea bateriilor.
Extinderea la scară a metodelor de reciclare bazate pe sonicare, optimizarea combinațiilor de solvenți și rafinarea aplicării undelor ultrasonice vor spori și mai mult eficiența. Hielscher Ultrasonics vă va recomanda cu plăcere configurația inline ideală de sonicator pentru procesul dumneavoastră de leșiere. Contactați-ne acum!

Proiectare, fabricație și consultanță – calitate Made in Germany

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt bine cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și operarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicatoarelor noastre în instalațiile industriale. Condițiile dificile și mediile solicitante sunt gestionate cu ușurință de ultrasonicatoarele Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicatoare de înaltă performanță, dotate cu tehnologie de ultimă generație și ușor de utilizat. Desigur, ultrasonicatoarele Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: