Ультразвуковое выщелачивание преобразует переработку аккумуляторов и извлечение ресурсов из городских отходов

Отработанные аккумуляторы и электронные отходы содержат множество ценных материалов, таких как литий, никель, марганец и кобальт, необходимых для удовлетворения растущего спроса в секторах возобновляемой энергетики и электромобилей. Извлечение ресурсов из городских отходов – процесс извлечения этих металлов из выброшенных аккумуляторов и других электронных отходов – представляет собой перспективный путь к экономике замкнутого цикла, снижая потребность в добыче первичного сырья и сводя к минимуму количество отходов. Одним из ключевых методов в этой области является обработка ультразвуком, которая продемонстрировала огромные преимущества в повышении степени извлечения металлов, сокращении времени обработки и улучшении экологической устойчивости.

Возможности обработки ультразвуком при переработке аккумуляторов и извлечении ресурсов из городских отходов: прорыв в устойчивом извлечении ресурсов

Недавнее исследование Canciani и соавт. (2024) посвящено влиянию ультразвуковой кавитации – крошечных ударных волн, создаваемых ультразвуковыми волнами высокой интенсивности, – на процесс выщелачивания при переработке аккумуляторов. Их исследование показывает, что обработка ультразвуком не просто немного улучшает традиционную переработку; она принципиально меняет взаимодействие процесса переработки с материалом аккумуляторов, делая его более быстрым, эффективным и менее зависимым от агрессивных химических веществ.
Подробнее о результатах исследования читайте ниже!

Кислотное выщелачивание, усиленное ультразвуком, протекает в двенадцать раз быстрее, чем обычное кислотное выщелачивание, благодаря благоприятному механическому воздействию кавитационных пузырьков, лопающихся вблизи поверхности. Это явление улучшает перемешивание кислотного раствора, тем самым улучшая характеристики переноса.
Изображение и исследование: © Canciani et al., 2024

Как работает обработка ультразвуком при переработке аккумуляторов

При обычной переработке аккумуляторов катодные материалы (содержащие ценные металлы) растворяют в кислотном растворе; этот процесс называется «выщелачиванием». Такой подход позволяет отделять и извлекать металлы из твердой структуры аккумулятора. Однако обычное выщелачивание требует много времени: для достижения значительной степени извлечения металлов часто необходимы часы. Оно также требует сильных кислот и высоких температур, что вызывает опасения относительно воздействия на окружающую среду.
Обработка ультразвуком преобразует этот процесс за счет введения ультразвуковых волн непосредственно в раствор для выщелачивания. В исследовании Canciani и соавт., опубликованном в 2024 году, исследователи испытали этот метод на модельном материале аккумуляторов – оксиде лития, кобальта, никеля и марганца (NMC). Применяя ультразвуковые волны с определенной частотой и амплитудой, они установили, что ультразвуковая кавитация сокращает время выщелачивания более чем на 80%. Вместо часов процесс стал занимать считаные минуты, обеспечивая революционное повышение эффективности.

Роль обработки ультразвуком в усилении выщелачивания: научные основы массопереноса и скорости процесса

Обработка ультразвуком не просто ускоряет выщелачивание; она меняет характер взаимодействия кислотного раствора с частицами аккумуляторного материала. Ультразвук высокой мощности создает миллионы микроскопических пузырьков, которые быстро схлопываются в растворе; это явление известно как кавитация. Такое воздействие создает интенсивные локальные силы, которые разрушают поверхностные частицы и усиливают взаимодействие кислоты с металлами внутри аккумуляторного материала.
По данным Canciani и соавт. (2024), этот процесс оказывает два основных воздействия на материалы аккумуляторов: повышает пористость частиц и уменьшает их размер, что приводит к резкому увеличению площади поверхности. При большей площади поверхности кислота может взаимодействовать с материалом более широко, тем самым способствуя более быстрому выщелачиванию. Авторы наблюдали увеличение объема пор в образцах, обработанных ультразвуком, на порядок по сравнению с образцами, обработанными обычным способом, что создает больше путей для проникновения кислоты и растворения содержащихся металлов.

СЭМ-изображения частиц на разных временных этапах обычного (a–c) и ультразвукового (d–f) выщелачивания.
Изображение и исследование: © Canciani et al., 2024

Ультразвуковое выщелачивание: улучшенные характеристики переноса и микроперемешивание

Исследование также позволяет предположить, что ультразвуковая кавитация не только усиливает контакт с поверхностью, но и значительно улучшает характеристики переноса. По сути, это означает, что кислота распределяется по частицам аккумуляторного материала более равномерно, а вызванное кавитацией микроперемешивание обеспечивает равномерное воздействие. Это создает однородную реакционную среду, позволяя кислоте растворять металлы более эффективно и равномерно.
Еще один примечательный результат заключается в том, что преимущества ультразвуковой кавитации выходят за рамки уменьшения размера частиц. Исследователи установили, что кавитация меняет механизм взаимодействия кислоты с частицами, вероятно, благодаря улучшению переноса через пограничный слой. Проще говоря, кавитация уменьшает толщину слоя жидкости, окружающего каждую частицу, обеспечивая более быстрое растворение металлов.

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

Преимущества для извлечения ресурсов из городских отходов и экологической устойчивости

Эффективность обработки ультразвуком при переработке аккумуляторов открывает огромные перспективы для будущего извлечения ресурсов из городских отходов и устойчивого извлечения ресурсов. Результаты Canciani и соавт. (2024) указывают на то, что обработка ультразвуком заменит экологически вредные методы или снизит зависимость от них за счет:

• Сокращения использования химических веществ: Выщелачивание, усиленное ультразвуком, позволяет использовать более экологичные растворители, такие как уксусная кислота, вместо более агрессивных кислот, обычно необходимых для обычного выщелачивания.
• Снижения энергозатрат: При обработке ультразвуком выщелачивание быстро протекает при комнатной температуре и не требует длительного нагрева, что снижает энергопотребление и выбросы.
• Повышения степени извлечения материалов: Улучшенное взаимодействие с поверхностью и повышенная пористость максимально увеличивают степень извлечения ценных металлов, делая процесс переработки экономически целесообразным и экологически безопасным.

Более широкое влияние на аккумуляторную промышленность

По мере распространения электромобилей и технологий возобновляемой энергетики стремительно растет спрос на аккумуляторы и, соответственно, на содержащиеся в них металлы. Извлечение ресурсов из городских отходов с помощью переработки, усиленной ультразвуком, позволяет извлекать эти металлы устойчивым способом, снижая экологическую нагрузку, связанную с добычей, и обеспечивая замкнутый цикл производства и утилизации аккумуляторов.
Масштабирование методов переработки на основе обработки ультразвуком, оптимизация сочетаний растворителей и совершенствование применения ультразвуковых волн дополнительно повысят эффективность. Hielscher Ultrasonics с удовольствием порекомендует идеальную конфигурацию ультразвукового аппарата для обработки в потоке в вашем процессе выщелачивания. Свяжитесь с нами прямо сейчас!

Проектирование, производство и консультирование – качество, созданное в Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без труда интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными производственными средами.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, сочетающим самые современные технологии и удобство использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и отвечают требованиям UL, CSA и RoHs.

Приведенная ниже таблица дает представление о приблизительной производительности обработки наших ультразвуковых аппаратов: