Ultratingujt për riciklimin e baterive me jone litiumi

• Bateritë me jone litiumi që përdoren në makinat elektrike sapo po hyjnë në tregun masiv dhe, krahas kësaj, duhen zhvilluar kapacitetet e riciklimit.
• Lixiviimi me ultratinguj është një teknikë efikase dhe miqësore me mjedisin për rikuperimin e metaleve si Li, Mg, Co, Ni etj. nga bateritë e konsumuara me jone litiumi.
• Sistemet industriale me ultratinguj të Hielscher për aplikime lixiviimi janë të besueshme dhe të qëndrueshme dhe mund të integrohen lehtësisht në impiantet ekzistuese të riciklimit.

Riciklimi i baterive me jone litiumi

Bateritë me jone litiumi përdoren gjerësisht në automjetet elektrike (EV), kompjuterët portativë dhe telefonat celularë. Kjo do të thotë se bateritë e konsumuara me jone litiumi përbëjnë një sfidë aktuale për menaxhimin e mbetjeve dhe riciklimin. Bateritë janë një faktor kryesor që rrit koston e automjeteve elektrike, dhe asgjësimi i tyre është gjithashtu i kushtueshëm. Aspektet mjedisore dhe ekonomike nxisin krijimin e një cikli të mbyllur riciklimi, pasi mbetjet e baterive përmbajnë materiale të vlefshme dhe ndihmojnë në uljen e gjurmës së karbonit të prodhimit të baterive me jone litiumi.
Riciklimi i baterive me jone litiumi po zhvillohet në një sektor industrial të lulëzuar, për të siguruar disponueshmërinë e ardhshme të metaleve të tokave të rralla dhe përbërësve të tjerë të baterive dhe për të ulur kostot mjedisore të nxjerrjes minerare.

Riciklimi pirometalurgjik dhe hidrometalurgjik krahasuar me riciklimin e baterive me ultratinguj

Më poshtë krahasojmë metodat konvencionale të proceseve pirometalurgjike dhe hidrometalurgjike me teknikën e lixiviimit me ultratinguj për sa u përket përparësive dhe mangësive.

Mangësitë e riciklimit konvencional të baterive

Metodat tradicionale që përdoren për riciklimin e baterive me jone litiumi përfshijnë procese pirometalurgjike dhe hidrometalurgjike.
 
Metodat pirometalurgjike përfshijnë procese me temperaturë të lartë si shkrirja ose djegia. Bateritë i nënshtrohen nxehtësisë ekstreme, e cila shkakton djegien e përbërësve organikë, ndërsa përbërësit metalikë të mbetur shkrihen dhe ndahen. Megjithatë, këto metoda kanë disa mangësi:

• Ndikimi në mjedis: Proceset pirometalurgjike çlirojnë emetime të dëmshme dhe ndotës në atmosferë, duke kontribuar në ndotjen e ajrit dhe duke shkaktuar potencialisht rreziqe për shëndetin.
• Humbja e materialeve: Proceset me temperaturë të lartë mund të shkaktojnë humbjen e materialeve dhe metaleve të vlefshme për shkak të degradimit termik, duke ulur shkallën e përgjithshme të rikuperimit.
• Konsum i lartë energjie: Këto metoda zakonisht kërkojnë furnizim të konsiderueshëm me energji, gjë që rrit kostot operative dhe gjurmën mjedisore.

 
Metodat hidrometalurgjike përfshijnë lixiviimin kimik për të tretur përbërësit e baterive dhe për të nxjerrë metalet e vlefshme. Ndonëse është më miqësore me mjedisin sesa metodat pirometalurgjike, hidrometalurgjia ka mangësitë e veta:

• Përdorimi i kimikateve: Për lixiviimin nevojiten acide të forta ose kimikate të tjera gërryese, gjë që ngre shqetësime për trajtimin e kimikateve, menaxhimin e mbetjeve dhe ndotjen e mundshme të mjedisit.
• Sfidat e selektivitetit: Arritja e lixiviimit selektiv të metaleve të dëshiruara mund të jetë e vështirë, duke çuar në shkallë më të ulëta rikuperimi dhe humbje të mundshme të burimeve të vlefshme.

 

Përparësitë e lixiviimit të baterive me ultratinguj ndaj teknikave konvencionale

Kur krahasohet me të dyja teknikat e riciklimit, pirometalurgjike dhe hidrometalurgjike, teknika e riciklimit të baterive me ultratinguj i tejkalon ato falë përparësive të ndryshme:

1. Efikasitet i rritur: Trajtimi me ultratinguj mund të përshpejtojë shpërbërjen e materialeve të baterive, duke sjellë kohë më të shkurtra përpunimi dhe efikasitet të përgjithshëm më të lartë.
2. Shkallë të përmirësuara rikuperimi: Zbatimi i kontrolluar i kavitacionit ultrasonik përmirëson shpërbërjen e përbërësve të baterive, duke rritur shkallët e rikuperimit të metaleve të vlefshme.
3. Miqësor me mjedisin: Riciklimi me ultratinguj ul varësinë nga temperaturat e larta dhe kimikatet agresive, duke minimizuar ndikimin në mjedis dhe duke ulur emetimet e ndotësve.
4. Lixiviimi selektiv: Zbatimi i kontrolluar i ultratingujve mundëson shpërbërjen e synuar të përbërësve të veçantë brenda baterisë, duke i ndarë ata me efikasitet. Meqenëse përbërje të ndryshme të riciklueshme të baterive largohen dhe treten në intensitete specifike të ultratingujve, parametrat e optimizuar të përpunimit mundësojnë lixhivimin selektiv të materialeve të veçanta. Kjo lehtëson ndarjen efikase të metaleve dhe materialeve të vlefshme.
5. Konsum i reduktuar i energjisë: Krahasuar me metodat hidrometalurgjike dhe veçanërisht me ato pirometalurgjike, riciklimi me ultratinguj është përgjithësisht më efikas në përdorimin e energjisë, duke sjellë kosto më të ulëta operative dhe gjurmë të reduktuar të karbonit.
6. Shkallëzueshmëria dhe fleksibiliteti: Sistemet me ultratinguj mund të përshtaten lehtësisht për shkallë më të mëdha ose më të vogla, për t’iu përshtatur madhësive të ndryshme të baterive dhe kapaciteteve të ndryshme të prodhimit. Gjithashtu, pajisjet me ultratinguj për riciklimin e baterive mund të integrohen lehtësisht në impiantet ekzistuese të riciklimit të baterive. Të disponueshme në nivele të ndryshme fuqie dhe me aksesorë të përshtatshëm, si sonda ultrasonike dhe reaktorë me qeliza rrjedhjeje, pajisjet me ultratinguj mund të përpunojnë përbërës baterish me madhësi të ndryshme dhe në kapacitete të ndryshme prodhimi, duke ofruar shkallëzueshmëri dhe përshtatshmëri në proceset e riciklimit.
7. Integrimi sinergjik: Lixhivimi me ultratinguj mund të integrohet në linjat ekzistuese hidrometalurgjike të riciklimit të baterive për të intensifikuar dhe përmirësuar lixhivimin hidrometalurgjik të metaleve dhe materialeve të vlefshme nga bateritë e konsumuara me jone litiumi.

Në përgjithësi, riciklimi i baterive me ultratinguj paraqitet premtues si një metodë më miqësore ndaj mjedisit, më efikase dhe më selektive krahasuar me qasjet tradicionale pirometalurgjike dhe hidrometalurgjike.

 

Lixhivimi industrial me ultratinguj për rikuperimin e metaleve nga bateritë e konsumuara

Lixhivimi me ultratinguj dhe ekstraktimi i metaleve mund të zbatohen në proceset e riciklimit të baterive me oksid litiumi dhe kobalti (p.sh. nga laptopët, telefonat inteligjentë etj.), si edhe të baterive komplekse me litium-nikel-mangan-kobalt (p.sh. nga automjetet elektrike).
Ultratingujt me fuqi të lartë njihen mirë për aftësinë e tyre për të përpunuar lëngje kimike dhe suspensione, me qëllim përmirësimin e transferimit të masës dhe nisjen e reaksioneve kimike.
Efektet intensive të trajtimit me ultratinguj të fuqishëm bazohen në fenomenin e kavitacionit akustik. Duke transmetuar energjinë e ultratingujve me fuqi të lartë në lëngje / suspensione, valët e alternuara me presion të ulët dhe të lartë në lëngje krijojnë flluska të vogla vakumi. Zgavrat e vogla të vakumit rriten gjatë disa cikleve me presion të ulët / të lartë, derisa implodojnë vrullshëm. Flluskat e vakumit që shemben mund të konsiderohen si mikroreaktorë, në të cilët temperatura deri në 5000K, presione deri në 1000atm dhe shpejtësi ngrohjeje dhe ftohjeje mbi 10^-10 shfaqen. Për më tepër, krijohen forca të forta hidrodinamike të prerjes dhe rryma lëngu me shpejtësi deri në 280m/s. Këto kushte ekstreme të kavitacionit akustik krijojnë kushte të jashtëzakonshme fizike dhe kimike në lëngje që përndryshe janë të ftohta dhe krijojnë një mjedis të favorshëm për reaksione kimike (e ashtuquajtura sonokimi).

Kavitacioni i krijuar nga ultratingujt mund të nxisë termolizën e substancave të tretura, si edhe formimin e radikaleve dhe reagentëve shumë reaktivë, si radikale të lira, jone hidroksidi (•OH,), hidronium (H₃O+) etj., të cilat krijojnë kushte jashtëzakonisht reaktive në lëng, duke rritur ndjeshëm shpejtësinë e reaksionit. Trupat e ngurtë, si grimcat, përshpejtohen nga rrymat e lëngut dhe bluhen përmes përplasjeve ndërmjet grimcave dhe abrazionit, duke rritur sipërfaqen aktive dhe, rrjedhimisht, transferimin e masës.
Përparësia e madhe e shpëlarjes me ultratinguj dhe e rikuperimit të metaleve është kontrolli i saktë i parametrave të procesit, si amplituda, presioni dhe temperatura. Këta parametra mundësojnë përshtatjen e saktë të kushteve të reaksionit me mjedisin e procesit dhe rezultatin e synuar. Për më tepër, shpëlarja me ultratinguj largon nga substrati edhe grimcat më të vogla të metalit, duke ruajtur mikrostrukturat. Përmirësimi i rikuperimit të metaleve vjen nga krijimi me ultratinguj i sipërfaqeve shumë reaktive, rritja e shpejtësive të reaksionit dhe përmirësimi i transportit të masës. Proceset e sonikimit mund të optimizohen duke ndikuar në secilin parametër dhe, për këtë arsye, janë jo vetëm shumë efektive, por edhe shumë efikase nga ana energjetike.
Kontrolli i saktë i parametrave dhe efikasiteti energjetik e bëjnë shpëlarjen me ultratinguj një teknikë të favorshme dhe superiore – veçanërisht në krahasim me teknikat e ndërlikuara të shpëlarjes me acid dhe të kelatimit.

Rikuperimi me ultratinguj i LiCoO₂ nga bateritë litium-jon të konsumuara

Trajtimi me ultratinguj ndihmon shpëlarjen reduktuese dhe precipitimin kimik, të cilat përdoren për të rikuperuar Li në formën e Li₂CO₃ dhe Co në formën e Co(OH)₂ nga mbetjet e baterive litium-jon.
Zhang et al. (2014) raportojnë rikuperimin e suksesshëm të LiCoO₂ duke përdorur një reaktor tejzanor. Për të përgatitur tretësirën fillestare prej 600mL, ata vendosën 10g pluhur LiCoO₂ të papërdorshëm në një gotë kimike dhe shtuan tretësirë LiOH me përqendrim 2,0mol/L, të cilat u përzien.
Përzierja u derdh në sistemin e rrezatimit tejzanor dhe pajisja përzierëse u vu në punë; pajisja përzierëse ishte vendosur brenda enës së reaksionit. Përzierja u ngroh në 120◦C dhe më pas pajisja tejzanore u vendos në 800W dhe mënyra e veprimit të ultratingujve u caktua në cikle pune me impulse prej 5 sec. NDEZUR / 2sec. FIKUR. Rrezatimi tejzanor u zbatua për 6h dhe më pas përzierja e reaksionit u ftoh në temperaturën e dhomës. Mbetja e ngurtë u la disa herë me ujë të dejonizuar dhe u tha në 80◦C deri në peshë konstante. Mostra e përftuar u mblodh për testime të mëtejshme dhe prodhim baterish. Kapaciteti i ngarkimit në ciklin e parë është 134,2mAh/g dhe kapaciteti i shkarkimit është 133,5mAh/g. Efikasiteti i ngarkimit dhe shkarkimit për herë të parë ishte 99,5%. Pas 40 cikleve, kapaciteti i shkarkimit është ende 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Shpëlarja me ultratinguj me acide organike, si acidi citrik, është jo vetëm efektive, por edhe miqësore me mjedisin. Hulumtimet treguan se shpëlarja e Co dhe Li është më efikase me acid citrik sesa me acidet inorganike H2SO4 dhe HCl. Nga bateritë litium-jon të konsumuara u rikuperuan më shumë se 96% e Co dhe pothuajse 100% e Li. Fakti që acidet organike, si acidi citrik dhe acidi acetik, janë të lira dhe të biodegradueshme kontribuon në përparësi të mëtejshme ekonomike dhe mjedisore të sonikimit.

Ultratinguj industrialë me fuqi të lartë për shpëlarjen e metaleve nga bateritë e konsumuara

Hielscher Ultrasonics është furnizuesi juaj me përvojë shumëvjeçare për sisteme ultrasonike shumë efikase dhe të besueshme, të cilat ofrojnë fuqinë e nevojshme për lixiviimin e metaleve nga materialet e mbetjeve. Për të ripërpunuar bateritë me jone litiumi duke nxjerrë metale si kobalti, litiumi, nikeli dhe mangani, sistemet ultrasonike të fuqishme dhe të qëndrueshme janë thelbësore. Njësitë industriale të Hielscher Ultrasonics, si UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) dhe UIP16000 (16kW), janë sistemet ultrasonike me performancë të lartë më të fuqishme dhe më të qëndrueshme në treg. Të gjitha njësitë tona industriale mund të punojnë vazhdimisht me amplituda shumë të larta deri në 200µm në funksionim 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotroda ultrasonike të personalizuara. Qëndrueshmëria e pajisjeve ultrasonike Hielscher mundëson funksionim 24/7 nën ngarkesë të rëndë dhe në mjedise kërkuese. Hielscher ofron gjithashtu sonotroda dhe reaktorë të posaçëm për temperatura dhe presione të larta, si dhe për lëngje gërryese. Kjo i bën pajisjet tona ultrasonike industriale më të përshtatshmet për teknikat e metalurgjisë nxjerrëse, p.sh. trajtimet hidrometalurgjike.

Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të pajisjeve tona ultrasonike:

---

---

Literatura/Referencat

• Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): Recovery of lithium and cobalt from spent lithium-ion batteries using organic acids: Process optimization and kinetic aspects. Waste Management 64, 2017. 244–254.
• Shin S.-M.; Lee D.-W.; Wang J.-P. (2018): Fabrication of Nickel Nanosized Powder from LiNiO₂ from Spent Lithium-Ion Battery. Metals 8, 2018.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO₂ from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Recovery of Lithium Cobalt Oxide Material from the Cathode of Spent Lithium-Ion Batteries. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.