Ультразвукове вилуговування трансформує переробку батарей та урбаністичну гірничодобувну промисловість

Використані батареї та електронні відходи містять цінні матеріали, такі як літій, нікель, марганець і кобальт, які є важливими для зростаючого попиту в секторах відновлюваної енергії та електромобілів. Урбаністична гірничодобувна промисловість – процес вилучення цих металів з відпрацьованих батарей та інших електронних відходів – є перспективним шляхом до циркулярної економіки, зменшуючи потребу у первинному видобутку та мінімізуючи відходи. Ключовою технікою в цій сфері є ультразвукова обробка, яка продемонструвала величезні переваги у підвищенні рівнів вилучення металів, скороченні часу обробки та покращенні сталості.

Сила ультразвукової обробки у переробці батарей та урбаністичній гірничодобувній промисловості: гра-чейнджер для сталого вилучення ресурсів

Нещодавнє дослідження Canciani et al. (2024) досліджує вплив ультразвукової кавітації – крихітних ударних хвиль, створених високочастотними ультразвуковими хвилями – на процес вилуговування для переробки батарей. Їхнє дослідження показує, що ультразвукова обробка є не просто помірним покращенням традиційної переробки; вона фундаментально змінює те, як процес переробки взаємодіє з матеріалом батареї, роблячи його швидшим, ефективнішим і менш залежним від жорстких хімікатів.
Читайте більше про результати дослідження нижче!

Ультразвуково посилене кислотне вилуговування відбувається в дванадцять разів швидше, ніж звичайне кислотне вилуговування, завдяки корисній механічній дії кавітаційних бульбашок, які лопаються поблизу поверхні. Це явище покращує змішування кислотного розчину, тим самим посилюючи транспортні властивості.
Зображення та дослідження: © Canciani et al., 2024

Як працює ультразвукова обробка у переробці батарей

У типовій переробці батарей катодні матеріали (які містять цінні метали) розчиняються в кислому розчині, процес, який називається «вилуговуванням». Цей підхід дозволяє відокремлювати та вилучати метали з твердої структури батареї. Однак традиційне вилуговування є тривалим у часі, часто вимагаючи годин для досягнення значного вилучення металів. Воно також потребує сильних кислот і високих температур, що викликає занепокоєння щодо впливу на навколишнє середовище.
Ультразвукова обробка трансформує цей процес, додаючи ультразвукові хвилі безпосередньо у розчин для вилуговування. У опублікованому у 2024 році дослідженні Canciani et al. дослідники тестували цю техніку з замінником матеріалу батареї, оксидом літію-кобальту-нікелю-марганцю (NMC). Застосовуючи ультразвукові хвилі на специфічній частоті та амплітуді, вони виявили, що ультразвукова кавітація скорочує час вилуговування більш ніж на 80%. Процес змінився з тривалості в години на хвилини, пропонуючи революційне покращення ефективності.

Роль ультразвукової обробки у посиленому вилуговуванні: наука за масоперенесенням та швидкістю

Ультразвукова обробка не просто прискорює вилуговування; вона змінює спосіб, яким кислотний розчин взаємодіє з частинками батареї. Ультразвук високої потужності створює мільйони мікроскопічних бульбашок, які швидко колапсують у розчині, явище, відоме як кавітація. Ця дія генерує інтенсивні локальні сили, які руйнують поверхневі частинки та збільшують взаємодію між кислотою та металами всередині матеріалу батареї.
Згідно з Canciani et al. (2024), цей процес має два основні ефекти на матеріали батареї: він збільшує пористість частинок і зменшує їхній розмір, що призводить до драматичного збільшення площі поверхні. З більшою площею поверхні кислота може взаємодіяти більш інтенсивно з матеріалом, тим самим сприяючи швидшому вилуговуванню. Автори спостерігали, що об’єм пор у зразках, оброблених ультразвуком, збільшився на порядок порівняно з тими, що оброблялися традиційним способом, створюючи більше шляхів для розчинення металу кислотою.

SEM-зображення частинок у різні моменти часу при звичайному (a–c) та ультразвуковому (d–f) вилуговуванні.
Зображення та дослідження: © Canciani et al., 2024

Ультразвукове вилуговування: покращені транспортні властивості та мікроміксування

Дослідження також свідчить про те, що ультразвукова кавітація не лише покращує поверхневий контакт, а й суттєво покращує транспортні властивості. По суті, це означає, що розподіл кислоти по частинках батареї стає більш однорідним, а мікроміксування, спричинене кавітацією, забезпечує рівномірне опромінення. Це призводить до гомогенізованого реакційного середовища, що дозволяє кислоті ефективніше та рівномірніше розчиняти метали.
Ще одним помітним відкриттям є те, що переваги ультразвукової кавітації виходять за межі зменшення розміру частинок. Дослідники виявили, що кавітація змінює механізм взаємодії між кислотою та частинками, ймовірно, через покращений транспорт у граничному шарі. Простими словами, кавітація зменшує товщину шару рідини, що оточує кожну частинку, що дозволяє прискорити розчинення металів.

Розподіл розмірів частинок після ультразвукового та звичайного вилуговування
Зображення та дослідження: © Canciani et al., 2024

Переваги для міського видобутку та сталості

Ефективність ультразвукової обробки в рециклінгу батарей має величезний потенціал для майбутнього міського видобутку та сталого відновлення ресурсів. Результати дослідження Canciani et al. (2024) вказують на те, що ультразвукова обробка замінить або зменшить залежність від екологічно шкідливих практик шляхом:

• Зменшення використання хімікатів: Ультразвуково-посилене вилуговування дозволяє використовувати більш екологічні розчинники, такі як оцтова кислота, замість жорсткіших кислот, які зазвичай потрібні для звичайного вилуговування.
• Зниження енерговимог: За допомогою ультразвукової обробки вилуговування відбувається швидко при кімнатній температурі, а не вимагає тривалого нагрівання, що зменшує споживання енергії та викиди.
• Збільшення відновлення матеріалів: Покращена поверхнева взаємодія та посилена пористість максимізують рівні відновлення цінних металів, роблячи процес рециклінгу економічно вигідним та екологічно безпечним.

Ширший вплив на індустрію батарей

Оскільки електромобілі та технології відновлюваної енергії розширюються, попит на батареї та, відповідно, на метали в них, стрімко зростає. Міський видобуток із рециклінгом, посиленим ультразвуковою обробкою, пропонує засіб для сталого відновлення цих металів, зменшуючи екологічне навантаження на гірничодобувну промисловість та пропонуючи підхід замкнутого циклу до виробництва та утилізації батарей.
Масштабування методів рециклінгу на основі ультразвукової обробки, оптимізація комбінацій розчинників та вдосконалення застосування ультразвукових хвиль ще більше підвищать ефективність. Hielscher Ultrasonics із задоволенням порекомендує ідеальну інлайн-конфігурацію соникатора для вашого процесу вилуговування. Зв’яжіться з нами зараз!

Дизайн, виробництво та консалтинг – якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові гомогенізатори Hielscher відомі своєю найвищою якістю та стандартами дизайну. Міцність та простота експлуатації дозволяють легко інтегрувати наші ультразвукові гомогенізатори в промислові об’єкти. Грубі умови та вимогливі середовища легко витримуються ультразвуковими гомогенізаторами Hielscher.

Hielscher Ultrasonics – це компанія, сертифікована за ISO, яка приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим гомогенізаторам, що мають передові технології та зручність у використанні. Звісно, ультразвукові гомогенізатори Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA і RoHs.

Нижче наведена таблиця дає вам уявлення про приблизну пропускну здатність наших ультразвукових гомогенізаторів: