Ultrazvukové lúhovanie mení recykláciu batérií a mestskú ťažbu

Použité batérie a elektronický odpad sú plné cenných materiálov, ako sú lítium, nikel, mangán a kobalt, ktoré sú nevyhnutné na uspokojenie rastúceho dopytu v odvetviach obnoviteľnej energie a elektrických vozidiel. Mestská ťažba – proces spätného získavania týchto kovov z vyradených batérií a iného elektronického odpadu – predstavuje sľubnú cestu k obehovému hospodárstvu, ktorá znižuje potrebu ťažby primárnych surovín a minimalizuje odpad. Kľúčovou technikou v tejto oblasti je sonikácia, ktorá preukázala mimoriadne prínosy pri zvyšovaní výťažnosti kovov, skracovaní času spracovania a zlepšovaní udržateľnosti.

Sila sonikácie pri recyklácii batérií a mestskej ťažbe: zásadný prelom v udržateľnom získavaní surovín

Nedávna štúdia autorov Canciani et al. (2024) skúma účinky ultrazvukovej kavitácie – drobných rázových vĺn vytváraných ultrazvukovými vlnami s vysokou intenzitou – na proces lúhovania pri recyklácii batérií. Ich výskum ukazuje, že sonikácia nie je len miernym zlepšením tradičnej recyklácie; zásadne mení spôsob, akým recyklačný proces pôsobí na materiál batérií, vďaka čomu je rýchlejší, účinnejší a menej závislý od agresívnych chemikálií.
Viac o zisteniach štúdie si prečítajte nižšie!

Kyslé lúhovanie podporené ultrazvukom prebieha dvanásťkrát rýchlejšie než konvenčné kyslé lúhovanie vďaka priaznivému mechanickému pôsobeniu kavitačných bublín praskajúcich v blízkosti povrchu. Tento jav zlepšuje premiešavanie kyslého roztoku, čím zlepšuje transportné vlastnosti.
Obrázok a štúdia: © Canciani et al., 2024

Ako funguje sonikácia pri recyklácii batérií

Pri bežnej recyklácii batérií sa katódové materiály (ktoré obsahujú cenné kovy) rozpúšťajú v kyslom roztoku v procese nazývanom „lúhovanie“. Tento prístup umožňuje oddelenie a spätné získanie kovov z pevnej štruktúry batérie. Konvenčné lúhovanie je však časovo náročné a dosiahnutie významnej výťažnosti kovov často trvá hodiny. Vyžaduje si tiež silné kyseliny a vysoké teploty, čo vyvoláva obavy z vplyvu na životné prostredie.
Sonikácia mení tento proces privádzaním ultrazvukových vĺn priamo do lúhovacieho roztoku. V štúdii autorov Canciani et al. publikovanej v roku 2024 výskumníci testovali túto techniku s náhradným materiálom batérie, oxidom lítia, kobaltu, niklu a mangánu (NMC). Pri aplikácii ultrazvukových vĺn s konkrétnou frekvenciou a amplitúdou zistili, že ultrazvuková kavitácia skracuje čas lúhovania o viac ako 80%. Proces, ktorý predtým trval hodiny, sa skrátil na niekoľko minút, čo predstavuje revolučné zlepšenie účinnosti.

Úloha sonikácie pri zintenzívnenom lúhovaní: vedecké vysvetlenie prenosu hmoty a rýchlosti

Sonikácia nielen urýchľuje lúhovanie; mení spôsob, akým kyslý roztok interaguje s časticami batérie. Vysokovýkonný ultrazvuk vytvára milióny mikroskopických bublín, ktoré v roztoku rýchlo kolabujú, čo je jav známy ako kavitácia. Toto pôsobenie vytvára intenzívne lokálne sily, ktoré rozrušujú povrchové častice a zvyšujú interakciu medzi kyselinou a kovmi v materiáli batérie.
Podľa autorov Canciani et al. (2024) má tento proces dva hlavné účinky na materiály batérií: zvyšuje pórovitosť častíc a zmenšuje ich veľkosť, čo vedie k výraznému zväčšeniu plochy povrchu. Pri väčšej ploche povrchu môže kyselina interagovať s materiálom vo väčšom rozsahu, čím sa uľahčuje rýchlejšie lúhovanie. Autori pozorovali, že objem pórov vo vzorkách podrobených sonikácii sa v porovnaní s konvenčne spracovanými vzorkami zväčšil o jeden rád, čím vzniklo viac ciest, ktorými môže kyselina prenikať a rozpúšťať obsiahnuté kovy.

Snímky častíc zo skenovacej elektrónovej mikroskopie (SEM) v rôznych časoch konvenčného (a–c) a ultrazvukového (d–f) lúhovania.
Obrázok a štúdia: © Canciani et al., 2024

Ultrazvukové lúhovanie: zlepšené transportné vlastnosti a mikromiešanie

Štúdia tiež naznačuje, že ultrazvuková kavitácia nielen zlepšuje povrchový kontakt, ale aj výrazne zlepšuje transportné vlastnosti. V podstate to znamená, že kyselina sa rovnomernejšie rozdeľuje medzi častice batériového materiálu, pričom mikromiešanie vyvolané kavitáciou zabezpečuje ich rovnomerné vystavenie pôsobeniu kyseliny. Vzniká tak homogénne reakčné prostredie, ktoré umožňuje kyseline rozpúšťať kovy účinnejšie a rovnomernejšie.
Ďalším pozoruhodným zistením je, že prínosy ultrazvukovej kavitácie presahujú samotné zmenšenie veľkosti častíc. Výskumníci zistili, že kavitácia mení mechanizmus interakcie medzi kyselinou a časticami, pravdepodobne vďaka zlepšenému transportu cez medznú vrstvu. Jednoducho povedané, kavitácia znižuje hrúbku kvapalnej vrstvy obklopujúcej každú časticu, čo umožňuje rýchlejšie rozpúšťanie kovov.

Distribúcie veľkosti častíc po ultrazvukovom a konvenčnom lúhovaní
Obrázok a štúdia: © Canciani et al., 2024

Prínosy pre mestskú ťažbu a udržateľnosť

Účinnosť sonikácie pri recyklácii batérií predstavuje obrovský potenciál pre budúcnosť mestskej ťažby a udržateľného získavania surovín. Zistenia Canciani et al. (2024) naznačujú, že sonikácia nahradí postupy poškodzujúce životné prostredie alebo zníži závislosť od nich tým, že umožní:

• Znížiť spotrebu chemikálií: Lúhovanie zintenzívnené ultrazvukom umožňuje používať ekologickejšie rozpúšťadlá, ako je kyselina octová, namiesto agresívnejších kyselín, ktoré sú zvyčajne potrebné pri konvenčnom lúhovaní.
• Znížiť energetické nároky: Pri sonikácii prebieha lúhovanie rýchlo pri izbovej teplote bez potreby dlhodobého zahrievania, čím sa znižuje spotreba energie a emisie.
• Zvýšiť výťažnosť materiálov: Zlepšená interakcia na povrchu a zvýšená pórovitosť maximalizujú výťažnosť cenných kovov, vďaka čomu je proces recyklácie ekonomicky rentabilný a šetrný k životnému prostrediu.

Širší vplyv na batériový priemysel

S rozširovaním elektromobilov a technológií obnoviteľnej energie prudko rastie dopyt po batériách, a tým aj po kovoch, ktoré obsahujú. Mestská ťažba využívajúca recykláciu zintenzívnenú sonikáciou ponúka spôsob, ako tieto kovy získavať udržateľne, znižovať environmentálnu záťaž spojenú s ťažbou a zabezpečiť uzavretý cyklus výroby a likvidácie batérií.
Zväčšovanie rozsahu recyklačných metód založených na sonikácii, optimalizácia kombinácií rozpúšťadiel a zdokonaľovanie aplikácie ultrazvukových vĺn ďalej zvýšia účinnosť. Hielscher Ultrasonics vám rád odporučí ideálnu konfiguráciu sonikátora na prietokovú prevádzku pre váš proces lúhovania. Kontaktujte nás teraz!

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú dobre známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a konštrukčného riešenia. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémové začlenenie našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové prístroje Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a jednoduchou obsluhou. Ultrazvukové prístroje Hielscher samozrejme spĺňajú požiadavky CE, ako aj požiadavky UL, CSA a RoHs.

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov: