Ультразвуковое выщелачивание преобразует переработку аккумуляторов и городскую добычу полезных ископаемых

Использованные аккумуляторы и электронные отходы содержат ценные материалы, такие как литий, никель, марганец и кобальт, которые необходимы для растущего спроса на возобновляемые источники энергии и электромобили. Городская добыча полезных ископаемых — процесс извлечения этих металлов из выброшенных батареек и других электронных отходов — является многообещающим путем к экономике замкнутого цикла, снижающей потребность в первичной добыче и сводящей к минимуму отходы. Ключевым методом в этой области является ультразвуковая обработка, которая показала огромные преимущества в повышении скорости извлечения металлов, сокращении времени обработки и повышении экологичности.

Сила ультразвуковой обработки в переработке аккумуляторов и городской добыче полезных ископаемых: переломный момент для устойчивого восстановления ресурсов

В недавнем исследовании Canciani et al. (2024) изучается влияние ультразвуковой кавитации — крошечных ударных волн, создаваемых ультразвуковыми волнами высокой интенсивности, — на процесс выщелачивания для переработки аккумуляторов. Их исследования показывают, что ультразвуковая обработка — это не просто скромное улучшение по сравнению с традиционной переработкой; Это коренным образом меняет то, как процесс переработки взаимодействует с материалом аккумулятора, делая его быстрее, эффективнее и менее зависимым от агрессивных химических веществ.
Подробнее о результатах исследования читайте ниже!

Кислотное выщелачивание с усиленным ультразвуковым излучением происходит со скоростью в двенадцать раз быстрее, чем обычное кислотное выщелачивание, благодаря благотворному механическому действию кавитационных пузырьков, лопающихся у поверхности. Это явление улучшает смешивание кислотных растворов, тем самым улучшая транспортные свойства.
Изображение и исследование: © Canciani et al., 2024

Как работает ультразвуковая обработка при переработке батареек

При типичной переработке аккумуляторов катодные материалы (которые содержат ценные металлы) растворяются в кислотном растворе, и этот процесс называется “выщелачивание.” Такой подход позволяет отделять и восстанавливать металлы из твердой структуры батареи. Однако обычное выщелачивание требует много времени и часто занимает несколько часов для достижения значительного извлечения металла. Он также требует сильных кислот и высоких температур, что вызывает опасения по поводу воздействия на окружающую среду.
Ультразвуковая обработка преобразует этот процесс путем добавления ультразвуковых волн непосредственно в раствор для выщелачивания. В опубликованном в 2024 году исследовании Canciani et al. исследователи протестировали эту технику с суррогатным материалом батареи — литий-кобальт-никель-марганцевым оксидом (NMC). Применяя ультразвуковые волны с определенной частотой и амплитудой, они обнаружили, что ультразвуковая кавитация сокращает время выщелачивания более чем на 80%. Этот процесс превратился из нескольких часов в несколько минут, что привело к революционному повышению эффективности.

Роль ультразвуковой обработки в усиленном выщелачивании: наука о массопереносе и скорости

Ультразвуковая обработка не просто ускоряет выщелачивание; Он изменяет способ взаимодействия кислотного раствора с частицами аккумулятора. Мощный ультразвук создает миллионы микроскопических пузырьков, которые быстро схлопываются в растворе, явление, известное как кавитация. Это действие создает интенсивные локальные силы, которые разрушают поверхностные частицы и усиливают взаимодействие между кислотой и металлами в материале батареи.
Согласно Canciani et al. (2024), этот процесс оказывает два основных воздействия на материалы аккумуляторов: он увеличивает пористость частиц и уменьшает их размер, что приводит к резкому увеличению площади поверхности. При большей площади поверхности кислота может более активно взаимодействовать с материалом, что способствует более быстрому выщелачиванию. Авторы заметили, что объем пор в образцах, обработанных ультразвуком, увеличился на порядок по сравнению с образцами, обработанными обычным способом, создавая больше путей для растворения кислоты в содержащемся металле.

СЭМ-изображения частиц в разное время обычного (a–c) и ультразвукового (d–f) выщелачивания.
Изображение и исследование: © Canciani et al., 2024

Ультразвуковое выщелачивание: улучшенные транспортные свойства и микроперемешивание

Исследование также показывает, что ультразвуковая кавитация не только улучшает контакт с поверхностью, но и значительно улучшает транспортные свойства. По сути, это означает, что распределение кислоты по частицам батареи становится более равномерным, а вызванное кавитацией микросмешивание обеспечивает равномерное воздействие. Это приводит к гомогенизации реакционной среды, что позволяет кислоте более эффективно и равномерно растворять металлы.
Еще одним важным выводом является то, что преимущества ультразвуковой кавитации выходят за рамки уменьшения размера частиц. Исследователи обнаружили, что кавитация изменяет механизм взаимодействия между кислотой и частицами, вероятно, из-за улучшенного переноса пограничного слоя. Проще говоря, кавитация уменьшает толщину слоя жидкости, окружающего каждую частицу, что позволяет быстрее растворять металл.

Распределение частиц по размерам после ультразвукового и обычного выщелачивания
Изображение и исследование: © Canciani et al., 2024

Преимущества для горнодобывающей промышленности в городах и устойчивого развития

Эффективность ультразвуковой обработки при переработке аккумуляторов обладает огромным потенциалом для будущего городской горнодобывающей промышленности и устойчивого восстановления ресурсов. Выводы Canciani et al. (2024) указывают на то, что ультразвуковая обработка заменит или уменьшит зависимость от методов, наносящих ущерб окружающей среде, путем:

• Сокращение использования химикатов: Ультразвуковое выщелачивание позволяет использовать более экологичные растворители, такие как уксусная кислота, а не более агрессивные кислоты, обычно необходимые для обычного выщелачивания.
• Снижение энергопотребления: При ультразвуковой обработке выщелачивание происходит быстро при комнатной температуре, а не требует длительного нагрева, что снижает потребление энергии и выбросы.
• Увеличение извлечения материала: Улучшенное взаимодействие с поверхностью и повышенная пористость максимизируют скорость извлечения ценных металлов, что делает процесс переработки экономически целесообразным и экологически чистым.

Более широкое влияние на аккумуляторную промышленность

По мере развития электромобилей и технологий возобновляемых источников энергии растет спрос на аккумуляторы и, соответственно, на металлы в них. Городская добыча полезных ископаемых с улучшенной переработкой ультразвуком предлагает средства для устойчивого восстановления этих металлов, снижая экологическую нагрузку на добычу полезных ископаемых и предлагая замкнутый подход к производству и утилизации аккумуляторов.
Масштабирование методов переработки на основе ультразвуковой обработки, оптимизация комбинаций растворителей и совершенствование применения ультразвуковых волн еще больше повысят эффективность. Компания Hielscher Ultrasonics с радостью порекомендует идеальную конфигурацию ультразвукового аппарата для вашего процесса выщелачивания. Свяжитесь с нами прямо сейчас!

Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: