Ультразвукове вилуговування перетворює переробку батарей і видобуток корисних копалин у містах

Використані батареї та електронні відходи упаковані з цінних матеріалів, таких як літій, нікель, марганець і кобальт, необхідні для зростаючого попиту в секторах відновлюваної енергетики та електромобілів. Міський видобуток – процес відновлення цих металів із викинутих батарей та інших електронних відходів – є перспективним шляхом до економіки замкнутого циклу, що зменшує потребу в первинному видобутку та мінімізує відходи. Ключовою технікою в цій галузі є ультразвукова діагностика, яка продемонструвала величезні переваги у підвищенні швидкості відновлення металу, скороченні часу обробки та підвищенні стійкості.

Сила звуку в переробці батарей і видобутку корисних копалин у містах: кардинальна зміна для сталого відновлення ресурсів

Нещодавнє дослідження Canciani et al. (2024) досліджує вплив ультразвукової кавітації – крихітних ударних хвиль, створених ультразвуковими хвилями високої інтенсивності – на процес вилуговування для переробки батарей. Їхні дослідження показують, що ультразвукова діагностика – це не просто скромне покращення традиційної переробки; Це докорінно змінює те, як процес переробки взаємодіє з матеріалом акумулятора, роблячи його швидшим, ефективнішим і менш залежним від агресивних хімікатів.
Детальніше про результати дослідження читайте нижче!

Кислотне вилуговування з ультразвуковим посиленням відбувається зі швидкістю в дванадцять разів швидше, ніж звичайне кислотне вилуговування, завдяки корисній механічній дії кавітаційних бульбашок, що лопаються біля поверхні. Це явище покращує перемішування кислотного розчину, тим самим посилюючи транспортні властивості.Зображення та дослідження: © Canciani та ін., 2024

Як працює ультразвук при переробці батарейок

При типовій переробці батарей катодні матеріали (які містять цінні метали) розчиняються в кислотному розчині, цей процес називається “Вилуговування.” This approach allows for the separation and recovery of metals from the battery’s solid structure. However, conventional leaching is time-intensive, often taking hours to achieve significant metal recovery. It also requires strong acids and high temperatures, raising concerns over environmental impact.
Ультразвукова діагностика перетворює цей процес шляхом додавання ультразвукових хвиль безпосередньо в розчин для вилуговування. У опублікованому дослідженні 2024 року Canciani et al. дослідники протестували цю техніку з матеріалом сурогатної батареї, літієм, кобальтом, нікель-марганцем, оксидом (NMC). Застосовуючи ультразвукові хвилі з певною частотою та амплітудою, вони виявили, що ультразвукова кавітація скорочує час вилуговування більш ніж на 80%. Процес перетворився з кількох годин на лічені хвилини, що забезпечило революційне підвищення ефективності.

Роль ультразвуку в посиленні вилуговування: наука, що стоїть за масопереносом і швидкістю

Ультразвуковий звук не просто прискорює вимивання; Він змінює спосіб взаємодії кислотного розчину з частинками акумулятора. Ультразвук високої потужності створює мільйони мікроскопічних бульбашок, які швидко руйнуються в розчині, це явище відоме як кавітація. Ця дія генерує інтенсивні локальні сили, які розщеплюють поверхневі частинки та збільшують взаємодію між кислотою та металами в матеріалі акумулятора.
За даними Canciani et al. (2024), цей процес має два основні ефекти на матеріали акумуляторів: він збільшує пористість частинок і зменшує їх розмір, що призводить до різкого збільшення площі поверхні. При більшій площі поверхні кислота може більш широко взаємодіяти з матеріалом, тим самим сприяючи більш швидкому вилуговуванню. Автори помітили, що об'єм пір у ультразвукових зразках збільшився на порядок порівняно з тими, що оброблялися традиційним способом, створюючи більше шляхів для розчинення кислотою вмісту металу.

SEM-зображення для частинок у різний час звичайного (a–c) та ультразвукового (d–f) вилуговування.Зображення та дослідження: © Canciani та ін., 2024

Ультразвукове вилуговування: покращені транспортні властивості та мікрозмішування

Дослідження також свідчить про те, що ультразвукова кавітація не тільки підсилює поверхневий контакт, але і значно покращує транспортні властивості. По суті, це означає, що розподіл кислоти по частинках батареї стає більш рівномірним, а мікрозмішування, спричинене кавітацією, забезпечує рівномірну експозицію. Це призводить до гомогенізованого реакційного середовища, що дозволяє кислоті більш ефективно і рівномірно розчиняти метали.
Ще одне помітне відкриття полягає в тому, що переваги ультразвукової кавітації виходять за рамки зменшення розміру частинок. Дослідники виявили, що кавітація змінює механізм взаємодії між кислотою та частинками, ймовірно, через покращення транспорту прикордонного шару. Говорячи простою мовою, кавітація зменшує товщину шару рідини, що оточує кожну частинку, що дозволяє швидше розчинити метал.

Гранулометричний склад після ультразвукового і звичайного вилуговуванняЗображення та дослідження: © Canciani та ін., 2024

Переваги для міського видобутку корисних копалин і сталого розвитку

Ефективність ультразвукового випромінювання при переробці батарей має величезний потенціал для майбутнього міського видобутку корисних копалин і сталого відновлення ресурсів. Результати Canciani et al. (2024) вказують на те, що ультразвукова діагностика замінить або зменшить залежність від практик, що завдають шкоди навколишньому середовищу, шляхом:

• Зменшення використання хімікатів: Ультразвукове посилене вилуговування дозволяє використовувати більш екологічні розчинники, такі як оцтова кислота, а не більш жорсткі кислоти, які зазвичай потрібні для звичайного вилуговування.
• Зниження потреб в енергії: При ультразвуковому дослідженні вилуговування відбувається швидко при кімнатній температурі, а не вимагає тривалого нагрівання, що зменшує споживання енергії та викиди.
• Збільшення відновлення матеріалу: Покращена поверхнева взаємодія та підвищена пористість максимізують швидкість відновлення цінних металів, роблячи процес переробки економічно вигідним та екологічно чистим.

Ширший вплив на акумуляторну промисловість

У міру того, як розвиваються електромобілі та технології відновлюваної енергії, попит на акумулятори і, як наслідок, на метали в них стрімко зростає. Міський видобуток корисних копалин з використанням ультразвукової сировини пропонує засоби для сталого відновлення цих металів, зменшуючи екологічне навантаження на гірничодобувну промисловість і пропонуючи замкнутий підхід до виробництва та утилізації акумуляторів.
Розширення методів переробки на основі ультразвуку, оптимізація комбінацій розчинників і вдосконалення застосування ультразвукових хвиль ще більше підвищать ефективність. Hielscher Ultrasonics з радістю порекомендує ідеальну конфігурацію вбудованого звукорежисера для вашого процесу вилуговування. Зв'яжіться з нами зараз!

Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині

Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: