بلغت قيمة سوق إعادة تدوير النفايات الصلبة 15.5 مليار دولار أمريكي في عام 2025، ومن المتوقع أن تصل إلى 65 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2035، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 15.21 تريليون دولار أمريكي. ويعزى هذا النمو إلى الزيادة السريعة في بطاريات الليثيوم أيون المستهلكة من المركبات الكهربائية والإلكترونيات الاستهلاكية وأنظمة تخزين الطاقة. ويواجه القائمون على إعادة التدوير ضغوطًا لتحويل هذه البطاريات المستهلكة إلى مواد أولية صالحة للاستخدام في صناعة البطاريات، وتُعدّ عملية تكرير النفايات الصلبة محورًا أساسيًا في هذا المسعى.
الكتلة السوداء هي خليط داكن غني بالمسحوق ينتج بعد تفريغ البطاريات وتفكيكها وتقطيعها. تحتوي على المواد الفعالة للكاثود، ومادة الأنود الجرافيتية، والنحاس، والألومنيوم، والإلكتروليت المتبقي. تحدد طريقة تكرير هذه المادة من قبل شركات إعادة التدوير درجة نقائها، ومعدل استعادتها، وجدوى عملية تجديد المواد الأولية اللاحقة. وقد بلغت إعادة التدوير بالمعالجة المائية للمعادن 51.31 تريليون طن من إجمالي إعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون السوق في عام 2025، مما يعكس مكانتها القوية في استخلاص المعادن عالية النقاء.
ما هي القداس الأسود ولماذا هو مهم؟
الكتلة السوداء هي المنتج الوسيط الناتج أثناء المعالجة الميكانيكية لبطاريات الليثيوم أيون المستهلكة. تتكون بشكل أساسي من مواد الكاثود الفعالة مثل أكسيد الليثيوم والكوبالت، أو أكسيد الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت، أو فوسفات الليثيوم والحديد، بالإضافة إلى الجرافيت من الأنود، وشظايا من جامعات التيار النحاسية والألومنيوم، وبقايا عضوية من الإلكتروليتات والمواد الرابطة. يعتمد تركيبها الدقيق على التركيب الكيميائي للبطارية، والشركة المصنعة، وطريقة المعالجة المسبقة.
القداس الأسود في مركز NMC يحتوي عادةً على 5-20% من الكوبالت، و5-15% من النيكل، و2-6% من الليثيوم، و2-10% من المنغنيز، و15-25% من الجرافيت. كتلة سوداء في LFP لا يحتوي على الكوبالت أو النيكل، لذا فإن قيمته القابلة للاسترداد تتركز على الليثيوم 3-5% والجرافيت.الكتلة السوداء الصناعية تم قياس المركبات الناتجة عن كيمياء الخلايا المختلطة عند حوالي 40 من الجرافيت wt%، و40 من المعدن wt%، و20 من مركبات الفوسفور والفلور wt%.
تُعدّ هذه المادة ذات أهمية بالغة لاحتوائها على أعلى تركيز من المعادن القيّمة في سلسلة إعادة التدوير. ويُعتبر استخلاص هذه المعادن بنقاوة تضاهي نقاء البطاريات السبيل الوحيد لإغلاق الحلقة وإعادة استخدامها في إنتاج مواد أولية جديدة للكاثود. أما التكرير غير الكافي فيؤدي إلى فقدان المعادن، وتلوث المنتجات، وزيادة استهلاك المواد الكيميائية في المراحل اللاحقة.
تجديد المواد الأولية بالمعالجة المائية مقابل المعالجة الحرارية
هناك مساران صناعيان رئيسيان لتحويل الكتلة السوداء إلى منتجات معدنية قابلة للاستخدام: المعالجة المائية للمعادن و علم المعادن الحراري. تعتمد إعادة التدوير الهيدروميتالورجية على إذابة محتوى المعدن في محاليل حمضية مائية، ثم فصل المعادن الفردية من خلال استخلاص المذيبات والترسيب والتبلور. ويحقق هذا المسار عادةً 92–97% ليثيوم تُستخلص الأملاح عالية النقاء وتُنتج مواد أولية مناسبة لتصنيع المواد الأولية. وقد بلغت حصة سوق المعالجة المائية للمعادن 51.31 تريليون طن في قطاع إعادة تدوير بطاريات السيارات الكهربائية عام 2025.
تستخدم إعادة التدوير الحراري للمعادن صهر المعادن في درجات حرارة عالية لاختزالها إلى سبيكة من الكوبالت والنيكل والنحاس. تُكرر هذه السبيكة لاحقًا، غالبًا من خلال عمليات المعالجة المائية للمعادن، لاستخلاص المعادن الفردية. يُعالج هذا الأسلوب المواد الأولية المختلطة والملوثة بكفاءة، ولكنه يفقد نسبة كبيرة من الليثيوم في خبث السيليكات. يتراوح استخلاص الليثيوم في طرق المعالجة الحرارية للمعادن عادةً بين 50 و701 طن متري لكل طن، ويبلغ استهلاك الطاقة ما يقارب ثلاثة إلى أربعة أضعاف استهلاك الطاقة في المعالجة المائية للمعادن لكل طن.
يكتسب نهج ثالث، وهو التجديد المباشر للكاثود، اهتمامًا متزايدًا. يسعى هذا النهج إلى إصلاح البنية البلورية للمواد الفعالة المستهلكة في الكاثود بدلًا من إذابتها. بلغت قيمة سوق إعادة تدوير الكاثود المباشر 548.9 مليون دولار أمريكي في عام 2025، ومن المتوقع أن تصل إلى 6.74 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2035، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 28.51 تريليون دولار أمريكي. تتجنب هذه الطريقة التحلل الكيميائي الكامل، ويمكنها خفض تكاليف إعادة التصنيع، ولكنها تتطلب مادة خام سوداء أنظف وأكثر تجانسًا من الطرق التقليدية.
عملية تكرير الكتلة السوداء خطوة بخطوة
تبدأ عملية التكرير بالتفريغ الآمن والتفكيك. تصل حزم البطاريات المستهلكة بمستويات شحن متفاوتة، ويؤدي التفكيك غير المنضبط إلى مخاطر نشوب حرائق وارتفاعات حرارية مفاجئة. تعمل أنظمة التفريغ الآلية على تقليل هذه المخاطر قبل بدء المعالجة الميكانيكية.
المعالجة الحرارية المسبقة تزيل هذه العملية الإلكتروليتات المتطايرة، والفواصل، والمواد الرابطة العضوية. ويُعدّ التحكم في درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية. تُشير الدراسات إلى أن المواد الرابطة المصنوعة من فلوريد البولي فينيليدين تتحلل على مرحلتين: يبدأ التحلل الجزئي عند حوالي 500 درجة مئوية، بينما تتطلب الإزالة الكاملة حوالي 650 درجة مئوية. تُحسّن إزالة هذه المواد الرابطة فصل المواد الفعالة عن جامعات التيار، وتقلل من تلوث الفلور في دوائر الترشيح اللاحقة.
التقطيع الميكانيكي يُقلّص هذا النظام حجم الوحدات أو الخلايا إلى أجزاء يتراوح حجمها بين 10 و20 ملم، وهو نطاق حجمي يُسهّل عملية الفصل الفعّال في المراحل اللاحقة. ثمّ تنتقل المادة عبر عمليات الفصل المغناطيسي، والفصل بالتيارات الدوامية، والفرز حسب الكثافة لإزالة الفولاذ والنحاس والألومنيوم والبلاستيك. يتبقى ما يُعرف بالكتلة السوداء، والتي لا تزال بحاجة إلى تقليل حجمها لكشف جزيئات المادة الفعّالة وتجهيزها لعملية الترشيح أو التجديد المباشر.
الطحن الدقيق يُقلل هذا الإجراء حجم الكتلة السوداء إلى مئات الميكرونات أو أقل. تُعزز هذه الخطوة تحرير المعادن وتُنتج مسحوقًا متجانسًا وسهل التدفق، وهو ما يُفضله مُصنّعو المعادن لأخذ العينات والترشيح. يعتمد توزيع حجم الجسيمات النهائي على العملية اللاحقة والتركيب الكيميائي للمادة الأولية.
لماذا يُعد التحكم في حجم الجسيمات أمرًا بالغ الأهمية في تكرير الكتلة السوداء؟
يؤثر حجم الجسيمات بشكل مباشر على استخلاص المعادن وجدوى العملية الاقتصادية. فالجسيمات الأصغر حجماً تُعرّض مساحة سطح أكبر، مما يُسرّع من حركية الاستخلاص ويُقلّل من استهلاك الأحماض. وقد وجدت دراسة حول الاستخلاص الحيوي أن تقليل حجم الجسيمات يُحسّن استخلاص الليثيوم والكوبالت والنيكل والمنغنيز، مع الحصول على أعلى إنتاجية في أدقّ الجسيمات.
مع ذلك، يُسبب الطحن المفرط مشاكل. إذ تتلطخ رقائق النحاس والألومنيوم المطاوعة وتتفتت إلى نفس حجم طبقة الكاثود، مُضمنةً جزيئات معدنية دقيقة لا تستطيع المناخل وفواصل الكثافة إزالتها. تُؤدي هذه الجزيئات الدقيقة إلى رفع مستويات الشوائب، وزيادة استهلاك المواد الكيميائية، وانخفاض جودة المنتجات الأولية النهائية. لا يقتصر الهدف على الحصول على أصغر حجم ممكن للجسيمات فحسب، بل على توزيع ضيق ومُتحكم فيه لحجم الجسيمات يتناسب مع خطوات الفصل والترشيح.
المطاحن النفاثة وتساعد المصنفات الهوائية في تحقيق هذا التحكم. تستخدم المطاحن النفاثة تيارات غازية عالية السرعة لتسريع الجزيئات باتجاه بعضها البعض، مما ينتج مساحيق ناعمة دون التآكل الميكانيكي العالي والتلوث المصاحب للمطاحن الكروية أو المطرقة. تفصل المصنفات الهوائية الجزيئات حسب الحجم والكثافة، وتعيد المواد كبيرة الحجم لمزيد من الطحن مع جمع الجزء المستهدف. تشير بعض الأنظمة المتكاملة إلى مستويات شوائب الكتلة السوداء أقل من 1.5% بعد تمريرة واحدة.
التحديات الرئيسية في تكرير الكتلة السوداء
الشوائب تُعدّ الشوائب أكبر عائق أمام إنتاج المواد الأولية المستخدمة في صناعة البطاريات. يدخل النحاس والألومنيوم إلى الكتلة السوداء من جامعات التيار وعمليات التكسير. تستهلك هذه المعادن مواد الترشيح، وتلوث منتجات كبريتات المعادن، وقد تُسبب مشاكل تتعلق بالسلامة أثناء المعالجة الحرارية. يُعدّ الفصل المغناطيسي الفعال، وفصل التيارات الدوامية، وفصل الكثافة قبل الطحن الدقيق خط الدفاع الأول.
رابط PVDF تُعدّ المخلفات مشكلة مستمرة أخرى. يُزيل الترشيح الحمضي المعادن بكفاءة، لكنه يُبقي الفلور في جزء الجرافيت. أشارت إحدى الدراسات إلى محتوى فلور متبقٍ يتراوح بين 1.97 و2.25 وزناً لكل 1000 ميكروغرام/لتر بعد الترشيح الحمضي، مما يُبيّن أن المعالجة الكيميائية وحدها غير كافية لإزالة المادة الرابطة بالكامل. يُمكن للمعالجة الحرارية عند درجات حرارة مُتحكّم بها أو إزالة المادة الرابطة باستخدام المذيبات أن تُقلّل من هذا التلوث قبل وصول المادة إلى عمليات المعالجة اللاحقة.
السلامة أساسية في كل مرحلة. تحتفظ البطاريات المستهلكة بشحنة متبقية. المحاليل الإلكتروليتية قابلة للاشتعال وسامة. الغبار الناتج عن الكتلة السوداء قابل للانفجار إذا لم تتم إدارته بشكل صحيح. يجب أن تجمع العمليات بين التفريغ الآلي، والتعامل مع الجو الخامل، وجمع الغبار، ومعالجة الغازات لحماية العمال والمعدات.
اختيار المعدات: الطحن والتصنيف للكتلة السوداء
يحتاج مُصنّعو مواد إعادة التدوير إلى معدات قادرة على معالجة الكتلة السوداء دون إضافة أي شوائب أو الإفراط في طحن المعادن القابلة للطرق. تُعدّ مطاحن النفث مناسبة تمامًا لهذه المهمة لأنها تطحن من خلال اصطدام الجزيئات ببعضها البعض بدلاً من الاحتكاك المباشر بين المعادن. هذا يقلل من تلوث الحديد ويحافظ على نظافة المنتج. كما أن عدم وجود وسائط طحن دوارة يُقلل من التآكل وتكاليف الصيانة عند معالجة مواد البطاريات الكاشطة.
تُضيف المصنفات الهوائية خطوة فصل الأحجام. فهي تُمكّن المشغلين من تحديد نقطة فصل دقيقة، لفصل الكتلة السوداء الناعمة عن شظايا النحاس والألومنيوم الخشنة. غالبًا ما يكون التشغيل بالغاز الخامل ضروريًا لأن الكتلة السوداء قابلة للتفاعل والاشتعال. تعمل أجواء النيتروجين أو ثاني أكسيد الكربون على كبح الاحتراق مع الحفاظ على جودة المنتج.
مسحوق ملحمي تصاميم الطحن النفاث وأنظمة تصنيف الهواء لتطبيقات مواد البطاريات. تنتج مطاحننا النفاثة توزيعات ضيقة لأحجام الجسيمات وتعمل تحت غاز خامل، مما يجعلها مناسبة لتقليل حجم الكتلة السوداء قبل الترشيح الهيدروميتالورجي أو التجديد المباشر. تقلل وحدات الطحن والتصنيف المتكاملة عدد خطوات النقل، وتحد من التلوث، وتحسن اتساق الإنتاجية. بالنسبة لشركات إعادة التدوير التي تُنشئ خطوط تجديد المواد الأولية، فإن مطابقة معدات الطحن والتصنيف مع جودة الكتلة السوداء لا تقل أهمية عن اختيار كيمياء الترشيح.
الاتجاهات المستقبلية في تكرير الكتلة السوداء وتجديد المواد الأولية
تتزايد صرامة اللوائح التنظيمية. ينص قانون الاتحاد الأوروبي الخاص بالبطاريات على معدلات استخلاص تبلغ 90% للكوبالت والنحاس والرصاص والنيكل بحلول نهاية عام 2027، وترتفع إلى 95% بحلول نهاية عام 2031. أما أهداف استخلاص الليثيوم فهي 50% بحلول نهاية عام 2027 و80% بحلول نهاية عام 2031. وستتبع ذلك قواعد الحد الأدنى للمحتوى المعاد تدويره، والتي تتطلب 6% من الليثيوم المعاد تدويره و6% من النيكل المعاد تدويره في بطاريات السيارات الكهربائية الجديدة بحلول عام 2031، و12% من الليثيوم و15% من النيكل بحلول عام 2036. تدفع هذه القواعد شركات إعادة التدوير نحو تحقيق معدلات استخلاص ونقاء أعلى.
من المرجح أن يشهد التجديد المباشر أسرع نمو. ويتوسع سوقه بمعدل نمو سنوي مركب قدره 28.51 تريليون طن، وهو أعلى بكثير من معدل نمو التعدين المائي والتعدين الحراري. ويعتمد هذا النمو على إنتاج كتلة سوداء أنظف ذات محتوى أقل من النحاس والألومنيوم والمواد الرابطة، مما يؤكد أهمية عمليات التكرير الأولية والتحكم في حجم الجسيمات.
يشهد مجال الأتمتة وتكامل العمليات تطوراً ملحوظاً. إذ يقوم مُصنّعو مواد إعادة التدوير بربط عمليات التقطيع والمعالجة الحرارية والطحن والتصنيف والترشيح في خطوط إنتاج متواصلة مع مراقبة فورية. والهدف من ذلك هو الحصول على جودة ثابتة للمادة السوداء، وخفض تكاليف الوحدة، والقدرة على معالجة المواد الخام المختلطة على نطاق صناعي واسع.
خاتمة
تُعدّ عملية تكرير الكتلة السوداء حلقة الوصل بين البطاريات المستهلكة وتجديد المواد الأولية المستخدمة في صناعة البطاريات. ويُحدد تركيب الكتلة السوداء المكررة وحجم جزيئاتها معدلات الاستخلاص، واستهلاك المواد الكيميائية، ونقاء المنتج في جميع مسارات الاستخلاص، سواءً بالمعالجة المائية أو الحرارية أو التجديد المباشر. وتتصدر المعالجة المائية اليوم هذا المجال نظرًا لقدرتها على توفير استخلاص عالٍ لليثيوم ومنتجات عالية النقاء، إلا أن المعالجة الحرارية لا تزال ذات أهمية للمواد الأولية المعقدة، بينما يشهد التجديد المباشر نموًا سريعًا. ومع رفع اللوائح التنظيمية لأهداف الاستخلاص ومتطلبات المحتوى المعاد تدويره، سيحتاج القائمون على إعادة التدوير إلى تحكم أدق في حجم الجزيئات، وتقليل التلوث، وتطبيق عمليات أكثر أمانًا. الطحن النفاث ويُعد تصنيف الهواء أدوات رئيسية لتلبية تلك المتطلبات.
مسحوق ملحمي
تُصمّم شركة إبيك باودر أنظمة طحن وتصنيف للمعادن والمواد الكيميائية والأغذية والأدوية. بفضل خبرتنا التي تزيد عن 20 عامًا في مجال معالجة المساحيق، نُوفّر لكم المطحنة المناسبة لحجم الجسيمات والسعة المطلوبة.
هل تحتاج إلى حل لتقليل حجم أو تصنيف الكتلة السوداء؟ مستلزمات إبيك باودر مطاحن نفاثة وأنظمة تصنيف الهواء المصممة خصيصًا لتطبيقات إعادة تدوير البطاريات. اتصل بنا وسنوصي لك بحل مجرب.
الأسئلة الشائعة
ما هي الكتلة السوداء في عملية إعادة تدوير البطاريات؟
الكتلة السوداء هي خليط مسحوق داكن اللون ينتج عن تقطيع ومعالجة بطاريات الليثيوم أيون المستهلكة ميكانيكياً. وهي تحتوي على مواد الكاثود الفعالة، والجرافيت، والنحاس، والألومنيوم، ومركبات عضوية متبقية.
ما هي الطرق الرئيسية لتجديد السلائف؟
الطرق الرئيسية الثلاث هي المعالجة المائية للمعادن، والمعالجة الحرارية للمعادن، والتجديد المباشر للكاثود. تعتمد المعالجة المائية للمعادن على إذابة المعادن وفصلها كيميائياً. أما المعالجة الحرارية فتقوم بصهر المعادن لتكوين سبيكة. بينما تعمل التجديد المباشر على إصلاح البنية البلورية لمواد الكاثود المستهلكة.
كيف يؤثر حجم الجسيمات على تكرير الكتلة السوداء؟
تُحسّن الجسيمات الدقيقة من تحرير المعادن وحركية الترشيح، لكن الطحن المفرط يُؤدي إلى اندماج جزيئات النحاس والألومنيوم الدقيقة في الكتلة السوداء. لذا، يُعدّ التحكم في توزيع حجم الجسيمات أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق استخلاص عالٍ وتقليل التلوث.
لماذا تُستخدم عملية الطحن النفاث في معالجة الكتلة السوداء؟
تعمل مطاحن النفث على تقليل حجم الجسيمات من خلال اصطدام الجسيمات ببعضها، مما يقلل من تلوث المعادن وتآكلها. كما أنها تعمل بكفاءة عالية في ظل وجود غاز خامل، وهي ميزة أمان مهمة للمواد السوداء التفاعلية.
ما هي مستويات النقاء المطلوبة للمواد الأولية المُجددة للبطاريات؟
تتطلب المواد الأولية المستخدمة في صناعة البطاريات عادةً أن تكون الشوائب المعدنية، مثل النحاس والحديد والألومنيوم، بمستويات ضئيلة للغاية (أجزاء في المليون). وتعتمد المواصفات الدقيقة على التركيب الكيميائي للكاثود واتفاقية الجودة المبرمة مع العميل النهائي.
شكرًا لقراءتكم. آمل أن يكون مقالي مفيدًا. يُرجى ترك تعليق أدناه. يمكنك أيضًا اتصل بـ EPIC ممثل خدمة العملاء عبر الإنترنت زيلدا "لأي استفسارات أخرى."
— جيسون وانج, مهندس