מיון אווירי של גרגירי נחושת מכבלים חשמליים ממוחזרים באמצעות מְפַלֵּג זיג‑זג

מדוע כבלים ישנים חשובים לעתיד נקי יותר

מאחורי כל מתג, רכב חשמלי ולוח סולרי עומד גיבור שקט: חוט נחושת. ככל שהעולם בונה מערכות אנרגיה נקייה ורכבים חשמליים, הביקוש לנחושת גדל במהירות. כרייה של נחושת חדשה יקרה ודרשנית אנרגיה, אך נחושת ניתנת למיחזור שוב ושוב ללא איבוד איכות. מאמר זה בוחן דרך חכמה להוציא ערך רב יותר מכבלים חשמליים מושלכים על‑ידי ניקוי גרגירי נחושת ממוחזרים עד לרמה שבה הם יכולים להתחרות במתכת שמופקת מעפר שנכרה זה עתה.

מה באמת נמצא בתוך כבל חשמלי?

במבט ראשון כבל נראה פשוט, אך מדובר במוצר מורכב רב‑שכבתי. מבחוץ יש שרוולי פלסטיק עמידים המגנים מפני לחות, שחיקה וחשמל. בפנים נמצאים מגינים מתכתיים, לעיתים מאלומיניום או עופרת, ובמרכז הליבה המוליכה שבדרך‑כלל עשויה נחושת או לפעמים אלומיניום. ליבות רבות מורכבות מאגדות של חוטי נחושת דקים מאוד, שלעיתים מצופים בפליז כדי להגן מפני קורוזיה ולעזור לחיבור אמין לתקעי וטרמינלים. כאשר כבלים כאלה מגיעים לסוף חייהם הם מופרקים לגריסה התערובתית של חתיכות פלסטיק, גרגירי נחושת טהורים וחלקי נחושת מצופים בפליז שנראים כולם דומים ומבלבלים.

מפסולת מעורבת לנחושת באיכות גבוהה

מפעלים מודרניים למיחזור מטפלים בתערובת הזאת במספר שלבים. תחילה הכבלים חתוכים ומגוררים והמגנטים מוציאים כל פלדה. בהמשך הטוחנים מפזרים את החומר לגרגירים קטנים יותר ומפרידים פלסטיקים ומתכות אחרות. גם לאחר כל אלה, המוצר שמכונה "נחושת" עדיין מכיל זיהום עיקש: חתיכות דקות ומוארכות של נחושת ששטחיהן מצופים בפליז. הגרגירים המצופים הללו מורידים את טוהר המתכת הסופי, דבר שמשפיע על בתי־פלז והיישומים המתקדמים. שולחנות כבידה מסורתיים, המרעידים ומנפחים אוויר דרך החומר, אינם מצליחים להפריד לחלוטין חלקיקים בעלי צורה בעייתית אלה מנחושת נקייה.

כיצד עמוד זיג‑זג מסווג חלקיקים באמצעות אוויר

החוקרים בחנו כלי שונה: תעלה צרה וארוכה המורכבת מקטעים בזווית החוזרים על עצמם ויוצרים עמוד זיג‑זג. אוויר נשאב כלפי מעלה מבסיס העמוד בעוד גרגירי נחושת מעורבים נופלים מלמעלה. בכל כפיפה נוצרות שתי זרימות מנוגדות — אחת זורמת מעלה לאורך הקיר החיצוני ואחת מחליקה מטה לאורך הקיר הפנימי. האם חלקיק יונשא מעלה או ייפול תלוי במאבק בין משקלו לבין כוח ההרמה של האוויר. חלקיקים קלים או שטוחים נישאים בקלות רבה יותר כלפי מעלה ויוצאים בחלקת ה"קלה" שבחלקו העליון; חלקיקים כבדים ודחוסים נופלים בחלקת ה"כבדה" בתחתית. על‑ידי התאמת קצב האוויר, הצוות יכול לכוון היכן נמצא נקודת האיזון ובכך לקבוע אילו חלקיקים יגיעו לאיזה מוצא.

בדיקות של פסולת אמיתית וזרימות וירטואליות

כדי לבדוק עד כמה השיטה עובדת במציאות, המחברים בדקו ארבעה סוגי גרגיר נחושת מקו מיחזור תעשייתי. כל אצווה הכילה תערובת שונה של גודל חלקיקים, צורות וזיהומים. הם העבירו דוגמאות של 500 גרם דרך מְפַלֵּג זיג‑זג במעבדה בשתי הגדרות זרימת אוויר ומדדו כמה נחושת וכמה פליז, עופרת, ברזל ואלמנטים נוספים הגיעו לחלקות הכבדות והקלות. במקביל בנו מודל מחשב מפורט של תנועת האוויר והחלקיקים באמצעות דינמיקת נוזלים חישובית. במְפַלֵּג הווירטואלי זה, אלפי חלקיקים עם התפלגויות גודל מדודות נעקבו לאורך נתיבי הזיג‑זג כדי לחזות לאיזה מוצא יגיעו וכמה זמן יישארו תלויים בעמוד.

מה חשפו הניסויים והסימולציות

לכמה מהחומרים שנבדקו, ובפרט לאחד שסומן כגרגיר 2, הוספת מְפַלֵּג הזיג‑זג שיפרה משמעותית את טוהר הנחושת. בזרימת אוויר גבוהה יותר, החלקה הכבדה הגיעה לכמעט 99.9% נחושת, בעוד הזרם הקל הסילף החוצה יותר מהחלקיקים המצופים והמאוימים. הסימולציות הממוחשבות תיארו את המגמות הכלליות — למשל כיצד הגדלת מהירות האוויר בזיזה תחילה גרגירים קטנים ואז גם גדולים לחלקה הקלה ומאריכה את זמן השהייה שלהם בעמוד. עם זאת, ההתאמה בין המודל למציאות תלתה בחוזק בצורה של החלקיקים. לגרגירים דמויי‑חוט ישרים או עם גרגירים רבים שאינם כדוריים, שגיאות המודל גדלו משמעותית כי הוא הניח ערך "עגול" ממוצע יחיד לכל החלקיקים.

מסקנות למיחזור ולעיצוב

לעוסקים שאינם מומחים, המסקנה המרכזית פשוטה: עם זרם אוויר מכוון היטב בעמוד זיג‑זג, משחזרים יכולים לנקות נחושת מכבלים ישנים לטוהר גבוה מאוד באמצעות אמצעים מכניים בלבד ובצריכת אנרגיה נמוכה בהרבה מאשר המסת הכל מהבסיס. המחקר גם מראה שמודלים ממוחשבים יכולים לסייע בתכנון ואופטימיזציה של ציוד כזה, אך רק אם הם מתחשבים בצורות המוזרות של חלקיקי הפסולת האמיתיים. על‑ידי שיפור המודלים והתאמתם לזרמי פסולת ספציפיים, מפעלי מיחזור יוכלו לחזות טוב יותר כיצד להפעיל את המפלטים שלהם, למקסם את השבת הנחושת ולתמוך בביקוש הגדל למתכת הקריטית הזו תוך הקלת הלחץ על מכרות והסביבה.

ציטוט: Madej, P., Zybała, R., Rządzka-Madej, A. et al. Air classification of copper granules from recycled electrical cables using a zig-zag separator. Sci Rep 16, 12000 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42336-y

מילות מפתח: מיחזור נחושת, פסולת כבלים חשמליים, מיון אווירי, מְפַלֵּג זיג‑זג, דינמיקת נוזלים חישובית