Hòa tách bằng siêu âm làm thay đổi hoạt động tái chế pin và khai thác mỏ đô thị

Pin đã qua sử dụng và rác thải điện tử chứa nhiều vật liệu có giá trị như liti, niken, mangan và coban, những vật liệu thiết yếu để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong các lĩnh vực năng lượng tái tạo và xe điện. Khai thác mỏ đô thị – quá trình thu hồi các kim loại này từ pin thải bỏ và rác thải điện tử khác – là một hướng đi đầy triển vọng để tiến tới nền kinh tế tuần hoàn, giảm nhu cầu khai thác tài nguyên nguyên sinh và giảm thiểu chất thải. Một kỹ thuật chủ chốt trong lĩnh vực này là xử lý bằng siêu âm, đã cho thấy những lợi ích to lớn trong việc nâng cao tỷ lệ thu hồi kim loại, rút ngắn thời gian xử lý và cải thiện tính bền vững.

Sức mạnh của xử lý bằng siêu âm trong tái chế pin và khai thác mỏ đô thị: Bước đột phá trong thu hồi tài nguyên bền vững

Một nghiên cứu gần đây của Canciani và cộng sự (2024) khảo sát tác động của hiện tượng xâm thực siêu âm – những sóng xung kích rất nhỏ do sóng siêu âm cường độ cao tạo ra – đối với quá trình hòa tách trong tái chế pin. Nghiên cứu của họ cho thấy xử lý bằng siêu âm không chỉ là một cải tiến nhỏ so với phương pháp tái chế truyền thống; kỹ thuật này thay đổi căn bản cách quá trình tái chế tương tác với vật liệu pin, giúp quá trình diễn ra nhanh hơn, hiệu quả hơn và ít phụ thuộc hơn vào các hóa chất có tính ăn mòn mạnh.
Đọc thêm về các kết quả nghiên cứu bên dưới!

Hòa tách bằng axit được tăng cường bằng siêu âm diễn ra với tốc độ nhanh gấp mười hai lần so với hòa tách bằng axit thông thường, nhờ tác động cơ học có lợi của các bọt xâm thực vỡ ra gần bề mặt. Hiện tượng này cải thiện sự trộn dung dịch axit, qua đó tăng cường các đặc tính vận chuyển.
Hình ảnh và nghiên cứu: © Canciani và cộng sự, 2024

Cơ chế hoạt động của xử lý bằng siêu âm trong tái chế pin

Trong quy trình tái chế pin điển hình, vật liệu catốt (chứa các kim loại có giá trị) được hòa tan trong dung dịch axit, một quá trình được gọi là “hòa tách”. Phương pháp này cho phép tách và thu hồi kim loại từ cấu trúc rắn của pin. Tuy nhiên, hòa tách thông thường tốn nhiều thời gian, thường mất hàng giờ để thu hồi được lượng kim loại đáng kể. Phương pháp này cũng đòi hỏi axit mạnh và nhiệt độ cao, làm dấy lên những lo ngại về tác động đến môi trường.
Xử lý bằng siêu âm làm thay đổi quá trình này bằng cách đưa sóng siêu âm trực tiếp vào dung dịch hòa tách. Trong nghiên cứu được công bố năm 2024 của Canciani và cộng sự, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm kỹ thuật này với một vật liệu đại diện cho vật liệu pin, oxit liti coban niken mangan (NMC). Bằng cách áp dụng sóng siêu âm ở tần số và biên độ cụ thể, họ nhận thấy hiện tượng xâm thực siêu âm làm giảm thời gian hòa tách hơn 80%. Quá trình từ chỗ mất hàng giờ đã được rút ngắn xuống chỉ còn vài phút, mang lại sự cải thiện mang tính cách mạng về hiệu quả.

Vai trò của xử lý bằng siêu âm trong tăng cường hòa tách: Cơ sở khoa học của quá trình truyền khối và tốc độ

Xử lý bằng siêu âm không chỉ đẩy nhanh quá trình hòa tách; kỹ thuật này còn thay đổi cách dung dịch axit tương tác với các hạt vật liệu pin. Siêu âm công suất cao tạo ra hàng triệu bọt cực nhỏ sụp đổ nhanh chóng trong dung dịch, một hiện tượng được gọi là xâm thực. Tác động này tạo ra các lực cục bộ mạnh, phá vỡ các hạt trên bề mặt và tăng cường sự tương tác giữa axit với các kim loại bên trong vật liệu pin.
Theo Canciani và cộng sự (2024), quá trình này có hai tác động chính đối với vật liệu pin: làm tăng độ xốp của các hạt và giảm kích thước của chúng, dẫn đến diện tích bề mặt tăng mạnh. Với diện tích bề mặt lớn hơn, axit có thể tương tác với vật liệu trên phạm vi rộng hơn, nhờ đó tạo điều kiện cho quá trình hòa tách diễn ra nhanh hơn. Các tác giả quan sát thấy thể tích lỗ xốp trong các mẫu được xử lý bằng siêu âm tăng một bậc độ lớn so với các mẫu được xử lý theo phương pháp thông thường, tạo thêm nhiều đường dẫn để axit hòa tan lượng kim loại có trong vật liệu.

Ảnh SEM của các hạt tại những thời điểm khác nhau trong quá trình hòa tách thông thường (a–c) và hòa tách bằng siêu âm (d–f).
Hình ảnh và nghiên cứu: © Canciani và cộng sự, 2024

Hòa tách bằng siêu âm: Cải thiện đặc tính vận chuyển và trộn vi mô

Nghiên cứu cũng cho thấy hiện tượng xâm thực siêu âm không chỉ tăng cường tiếp xúc bề mặt mà còn cải thiện đáng kể các đặc tính vận chuyển. Về cơ bản, điều này có nghĩa là axit phân bố đồng đều hơn trên các hạt vật liệu pin, trong đó quá trình trộn vi mô do xâm thực gây ra bảo đảm các hạt tiếp xúc đồng đều với axit. Điều này tạo ra môi trường phản ứng đồng nhất, giúp axit hòa tan kim loại hiệu quả và đồng đều hơn.
Một phát hiện đáng chú ý khác là lợi ích của hiện tượng xâm thực siêu âm không chỉ giới hạn ở việc giảm kích thước hạt. Các nhà nghiên cứu nhận thấy xâm thực làm thay đổi cơ chế tương tác giữa axit và các hạt, có thể là nhờ sự cải thiện quá trình vận chuyển qua lớp biên. Nói một cách đơn giản, xâm thực làm giảm độ dày của lớp chất lỏng bao quanh mỗi hạt, giúp kim loại hòa tan nhanh hơn.

Phân bố kích thước hạt sau khi hòa tách bằng siêu âm và hòa tách thông thường
Hình ảnh và nghiên cứu: © Canciani et al., 2024

Lợi ích đối với khai thác tài nguyên đô thị và tính bền vững

Hiệu quả của xử lý siêu âm trong tái chế pin mở ra tiềm năng to lớn cho tương lai của hoạt động khai thác tài nguyên đô thị và thu hồi tài nguyên bền vững. Các phát hiện của Canciani et al. (2024) cho thấy xử lý siêu âm sẽ thay thế hoặc giảm sự phụ thuộc vào các phương pháp gây hại cho môi trường bằng cách:

• Giảm sử dụng hóa chất: Hòa tách được tăng cường bằng siêu âm cho phép sử dụng các dung môi thân thiện hơn với môi trường như axit axetic thay cho các axit có tính ăn mòn mạnh hơn thường cần dùng trong hòa tách thông thường.
• Giảm nhu cầu năng lượng: Với xử lý siêu âm, quá trình hòa tách diễn ra nhanh chóng ở nhiệt độ phòng thay vì cần gia nhiệt kéo dài, nhờ đó giảm mức tiêu thụ năng lượng và lượng phát thải.
• Tăng khả năng thu hồi vật liệu: Tương tác bề mặt được cải thiện và độ xốp được tăng cường giúp tối đa hóa tỷ lệ thu hồi các kim loại có giá trị, khiến quá trình tái chế khả thi về mặt kinh tế và thân thiện với môi trường.

Tác động rộng hơn đối với ngành công nghiệp pin

Khi xe điện và các công nghệ năng lượng tái tạo phát triển, nhu cầu về pin và theo đó là các kim loại có trong pin đang tăng vọt. Khai thác tài nguyên đô thị kết hợp với tái chế được tăng cường bằng siêu âm mang lại phương thức thu hồi bền vững các kim loại này, giảm gánh nặng môi trường từ hoạt động khai khoáng và cung cấp cách tiếp cận theo chu trình khép kín cho việc sản xuất và xử lý pin thải.
Mở rộng quy mô các phương pháp tái chế dựa trên siêu âm, tối ưu hóa các tổ hợp dung môi và hoàn thiện cách ứng dụng sóng siêu âm sẽ tiếp tục nâng cao hiệu quả. Hielscher Ultrasonics sẵn lòng đề xuất cấu hình thiết bị siêu âm lý tưởng để vận hành trực tiếp trên đường dòng cho quy trình hòa tách của bạn. Hãy liên hệ với chúng tôi ngay!

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Các thiết bị siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn chất lượng và thiết kế cao nhất. Độ bền cao và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi khắt khe.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu năng cao có công nghệ tiên tiến nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Bảng dưới đây cung cấp thông tin tham khảo về năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: