การชะละลายด้วยอัลตราซาวนด์พลิกโฉมการรีไซเคิลแบตเตอรี่และการทำเหมืองในเมือง

แบตเตอรี่ใช้แล้วและขยะอิเล็กทรอนิกส์อุดมไปด้วยวัสดุที่มีค่า เช่น ลิเทียม นิกเกิล แมงกานีส และโคบอลต์ ซึ่งจำเป็นต่อความต้องการที่เพิ่มขึ้นในภาคพลังงานหมุนเวียนและยานยนต์ไฟฟ้า การทำเหมืองในเมือง – กระบวนการนำโลหะเหล่านี้กลับคืนมาจากแบตเตอรี่ที่ถูกทิ้งและขยะอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ – เป็นแนวทางที่มีศักยภาพในการก้าวสู่เศรษฐกิจหมุนเวียน โดยลดความจำเป็นในการทำเหมืองเพื่อสกัดทรัพยากรใหม่และลดของเสียให้เหลือน้อยที่สุด เทคนิคสำคัญในสาขานี้คือการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ ซึ่งแสดงให้เห็นประโยชน์อย่างมากในการเพิ่มอัตราการนำโลหะกลับคืน ลดเวลาในการแปรรูป และเพิ่มความยั่งยืน

พลังของการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ในการรีไซเคิลแบตเตอรี่และการทำเหมืองในเมือง: ตัวพลิกเกมสำหรับการนำทรัพยากรกลับคืนอย่างยั่งยืน

การศึกษาล่าสุดโดย Canciani และคณะ (2024) สำรวจผลของคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ – คลื่นกระแทกขนาดเล็กที่เกิดจากคลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูง – ต่อกระบวนการชะละลายสำหรับการรีไซเคิลแบตเตอรี่ งานวิจัยของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ไม่ได้เพียงปรับปรุงการรีไซเคิลแบบดั้งเดิมให้ดีขึ้นเล็กน้อย แต่เปลี่ยนวิธีที่กระบวนการรีไซเคิลมีปฏิสัมพันธ์กับวัสดุแบตเตอรี่อย่างถึงรากฐาน ทำให้กระบวนการรวดเร็วขึ้น มีประสิทธิภาพมากขึ้น และพึ่งพาสารเคมีที่รุนแรงน้อยลง
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลการศึกษาด้านล่าง!

การชะละลายด้วยกรดที่เสริมประสิทธิภาพด้วยอัลตราซาวนด์ดำเนินไปด้วยอัตราที่เร็วขึ้นสิบสองเท่าเมื่อเทียบกับการชะละลายด้วยกรดแบบทั่วไป เนื่องจากผลเชิงกลที่เป็นประโยชน์ของฟองคาวิเทชันที่แตกใกล้พื้นผิว ปรากฏการณ์นี้ช่วยปรับปรุงการผสมสารละลายกรด จึงเพิ่มประสิทธิภาพของสมบัติการถ่ายเท
ภาพและการศึกษา: © Canciani และคณะ, 2024

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ทำงานอย่างไรในการรีไซเคิลแบตเตอรี่

ในการรีไซเคิลแบตเตอรี่โดยทั่วไป วัสดุแคโทด (ซึ่งมีโลหะที่มีค่า) จะถูกละลายในสารละลายกรด กระบวนการนี้เรียกว่า “การชะละลาย” แนวทางนี้ช่วยให้สามารถแยกและนำโลหะกลับคืนจากโครงสร้างของแข็งของแบตเตอรี่ได้ อย่างไรก็ตาม การชะละลายแบบทั่วไปใช้เวลานาน โดยมักต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงเพื่อให้ได้การนำโลหะกลับคืนในปริมาณมาก อีกทั้งยังต้องใช้กรดแก่และอุณหภูมิสูง ซึ่งก่อให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์พลิกโฉมกระบวนการนี้ด้วยการส่งคลื่นอัลตราซาวนด์เข้าสู่สารละลายชะละลายโดยตรง ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ในปี 2024 โดย Canciani และคณะ นักวิจัยทดสอบเทคนิคนี้กับวัสดุที่ใช้แทนวัสดุแบตเตอรี่ ได้แก่ ลิเทียมโคบอลต์นิกเกิลแมงกานีสออกไซด์ (NMC) เมื่อใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ที่ความถี่และแอมพลิจูดจำเพาะ พวกเขาพบว่าคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ลดเวลาการชะละลายได้มากกว่า 80% กระบวนการที่เคยใช้เวลาหลายชั่วโมงลดลงเหลือเพียงไม่กี่นาที นับเป็นการยกระดับประสิทธิภาพอย่างพลิกโฉม

บทบาทของการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ในการเพิ่มประสิทธิภาพการชะละลาย: วิทยาศาสตร์เบื้องหลังการถ่ายเทมวลและความเร็ว

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ไม่ได้เพียงเร่งการชะละลาย แต่ยังเปลี่ยนวิธีที่สารละลายกรดมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคแบตเตอรี่ อัลตราซาวนด์กำลังสูงสร้างฟองขนาดจุลภาคหลายล้านฟองที่ยุบตัวอย่างรวดเร็วในสารละลาย ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าคาวิเทชัน การกระทำนี้ก่อให้เกิดแรงเฉพาะที่ที่รุนแรง ซึ่งทำให้อนุภาคบนพื้นผิวแตกตัวและเพิ่มปฏิสัมพันธ์ระหว่างกรดกับโลหะภายในวัสดุแบตเตอรี่
ตามรายงานของ Canciani และคณะ (2024) กระบวนการนี้มีผลหลักสองประการต่อวัสดุแบตเตอรี่ คือ เพิ่มความพรุนของอนุภาคและลดขนาดอนุภาค ส่งผลให้พื้นที่ผิวเพิ่มขึ้นอย่างมาก เมื่อพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น กรดจึงมีปฏิสัมพันธ์กับวัสดุได้อย่างทั่วถึงมากขึ้น ช่วยให้การชะละลายรวดเร็วขึ้น ผู้เขียนสังเกตว่าปริมาตรรูพรุนในตัวอย่างที่ผ่านการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เพิ่มขึ้นหนึ่งลำดับขนาดเมื่อเทียบกับตัวอย่างที่ผ่านกระบวนการแบบทั่วไป ทำให้มีช่องทางมากขึ้นสำหรับกรดในการละลายโลหะที่อยู่ภายใน

ภาพ SEM ของอนุภาค ณ เวลาต่าง ๆ ระหว่างการชะละลายแบบทั่วไป (a–c) และการชะละลายด้วยอัลตราซาวนด์ (d–f)
ภาพและการศึกษา: © Canciani และคณะ, 2024

การชะละลายด้วยอัลตราซาวนด์: การปรับปรุงสมบัติการถ่ายเทและการผสมระดับจุลภาค

การศึกษายังชี้ว่าคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ไม่เพียงเพิ่มการสัมผัสที่พื้นผิว แต่ยังปรับปรุงสมบัติการถ่ายเทอย่างมีนัยสำคัญ โดยพื้นฐานแล้ว หมายความว่ากรดกระจายตัวทั่วอนุภาคแบตเตอรี่ได้สม่ำเสมอมากขึ้น โดยการผสมระดับจุลภาคที่เกิดจากคาวิเทชันทำให้อนุภาคสัมผัสกับกรดอย่างทั่วถึงและสม่ำเสมอ ส่งผลให้สภาวะแวดล้อมของปฏิกิริยาสม่ำเสมอ และช่วยให้กรดละลายโลหะได้อย่างมีประสิทธิภาพและสม่ำเสมอมากขึ้น
ข้อค้นพบที่น่าสังเกตอีกประการหนึ่งคือ ประโยชน์ของคาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงการลดขนาดอนุภาค นักวิจัยพบว่าคาวิเทชันเปลี่ยนกลไกปฏิสัมพันธ์ระหว่างกรดกับอนุภาค ซึ่งน่าจะเกิดจากการถ่ายเทผ่านชั้นขอบเขตที่ดีขึ้น กล่าวอย่างง่ายคือ คาวิเทชันลดความหนาของชั้นของเหลวที่ล้อมรอบอนุภาคแต่ละอนุภาค ทำให้โลหะละลายได้เร็วขึ้น

การกระจายขนาดอนุภาคหลังการชะละลายด้วยอัลตราซาวนด์และการชะละลายแบบทั่วไป
ภาพและการศึกษา: © Canciani และคณะ, 2024

ประโยชน์ต่อการทำเหมืองในเมืองและความยั่งยืน

ประสิทธิผลของการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ในการรีไซเคิลแบตเตอรี่มีศักยภาพมหาศาลต่ออนาคตของการทำเหมืองในเมืองและการนำทรัพยากรกลับคืนอย่างยั่งยืน ผลการศึกษาของ Canciani และคณะ (2024) บ่งชี้ว่าการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์จะทดแทนหรือลดการพึ่งพาแนวปฏิบัติที่สร้างความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อมด้วยการ:

• ลดการใช้สารเคมี: การชะละลายที่เสริมประสิทธิภาพด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยให้ใช้ตัวทำละลายที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น เช่น กรดแอซีติก แทนกรดที่รุนแรงกว่าซึ่งโดยทั่วไปจำเป็นต้องใช้ในการชะละลายแบบทั่วไป
• ลดความต้องการพลังงาน: เมื่อใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ การชะละลายเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิห้อง แทนที่จะต้องให้ความร้อนเป็นเวลานาน จึงลดการใช้พลังงานและการปล่อยมลพิษ
• เพิ่มการนำวัสดุกลับคืน: ปฏิสัมพันธ์ที่พื้นผิวที่ดีขึ้นและความพรุนที่เพิ่มขึ้นช่วยเพิ่มอัตราการนำโลหะที่มีค่ากลับคืนให้สูงสุด ทำให้กระบวนการรีไซเคิลมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

ผลกระทบในวงกว้างต่ออุตสาหกรรมแบตเตอรี่

เมื่อยานยนต์ไฟฟ้าและเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียนขยายตัว ความต้องการแบตเตอรี่และโลหะที่อยู่ภายในจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามไปด้วย การทำเหมืองในเมืองโดยใช้การรีไซเคิลที่เสริมประสิทธิภาพด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์เป็นวิธีนำโลหะเหล่านี้กลับคืนอย่างยั่งยืน ลดภาระต่อสิ่งแวดล้อมจากการทำเหมือง และนำเสนอแนวทางวงจรปิดสำหรับการผลิตและการกำจัดแบตเตอรี่
การขยายขนาดวิธีรีไซเคิลที่ใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ การปรับส่วนผสมของตัวทำละลายให้เหมาะสมที่สุด และการปรับปรุงการประยุกต์ใช้คลื่นอัลตราซาวนด์จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้สูงขึ้นอีก Hielscher Ultrasonics ยินดีแนะนำรูปแบบการติดตั้งเครื่องอัลตราซาวนด์แบบอินไลน์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกระบวนการชะละลายของคุณ ติดต่อเราตอนนี้!

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี

เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher เป็นที่รู้จักในด้านมาตรฐานคุณภาพและการออกแบบที่สูงที่สุด ความทนทานและการใช้งานที่ง่ายช่วยให้ผสานเครื่องอัลตราซาวนด์ของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher รับมือกับสภาวะที่สมบุกสมบันและสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดการใช้งานสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานสะดวก แน่นอนว่าเครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher สอดคล้องกับข้อกำหนด CE และเป็นไปตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs

ตารางด้านล่างแสดงกำลังการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา: