Аэроклассификация медных гранул из переработанных электрических кабелей с помощью зигзагообразного сепаратора

Почему старые кабели важны для более чистого будущего

За каждым выключателем света, электромобилем и солнечной панелью скрывается незаметный герой: медный провод. По мере роста производства систем чистой энергии и электромобилей спрос на медь стремительно растёт. Добыча новой меди дорогостоящая и энергоёмкая, тогда как медь можно многократно перерабатывать без потери качества. В этой статье рассматривается изящный способ извлечь больше ценности из списанных электрических кабелей — так тщательно очистить переработанные медные гранулы, чтобы они могли конкурировать с металлом из недавно добытой руды.

Что на самом деле внутри силового кабеля?

На первый взгляд силовой кабель кажется простым, но это многослойный композитный продукт. Снаружи — прочные пластиковые оболочки, защищающие от влаги, истирания и поражения электричеством. Внутри бывают металлические экраны, часто из алюминия или свинца, а в центре — проводник, обычно из меди или иногда из алюминия. Многие жилы состоят из пучков тонких медных проводов, которые нередко покрывают припоем (оловом), чтобы защитить от коррозии и обеспечить надёжный контакт с вилками и контактными соединениями. Когда такие кабели вынимают из эксплуатации, их измельчают в смесь пластиковых кусочков, чистых медных гранул и олово‑покрытых медных фрагментов, которые по внешнему виду раздражающе похожи друг на друга.

От смешанного лома к меду высокой чистоты

Современные перерабатывающие предприятия разбираются с этой кашей поэтапно. Сначала кабели режут и шинкуют, а магниты вытягивают сталь. Затем измельчённый материал помалывают до более мелких гранул, и разные сепараторы отделяют пластик и другие металлы. Даже после всех этих операций «медный» продукт всё ещё содержит упрямую примесь: тонкие вытянутые кусочки меди, поверхность которых покрыта оловом. Эти олово‑покрытые гранулы снижают чистоту конечного металла, что важно для плавильных заводов и высокотехнологичных применений. Традиционные гравитационные столы, которые встряхивают материал и продувают его воздухом, не всегда способны полностью отделить такие неудобные по форме частицы от чистой меди.

Как зигзагообразная колонна сортирует частицы с помощью воздуха

Исследователи изучали другой инструмент: высокую узкую камеру, составленную из повторяющихся наклонных секций, образующих зигзагообразную колонну. Воздух нагнетают снизу вверх, в то время как смешанные медные гранулы падают сверху. В каждом изгибе формируются два противоположных потока — один движется вверх вдоль внешней стенки, другой скользит вниз вдоль внутренней. То, поднимается частица или падает, зависит от перетягивания между её весом и подъёмной силой воздуха. Лёгкие или плоские частицы легче подхватываются и выходят сверху как «лёгкая» фракция; более тяжёлые, компактные частицы выпадают внизу как «тяжёлая» фракция. Регулируя поток воздуха, команда может смещать точку равновесия и таким образом выбирать, какие частицы окажутся в каком выходе.

Испытания реального лома и виртуальных потоков

Чтобы выяснить, как это работает на практике, авторы протестировали четыре типа медного гранулята с промышленной линии переработки. Каждая партия имела разный состав по размерам частиц, формам и примесям. Они прогоняли 500‑граммовые образцы через лабораторный зигзагообразный сепаратор на двух настройках воздуха и измеряли, сколько меди и сколько олова, свинца, железа и других элементов оказалось в тяжёлой и лёгкой фракциях. Одновременно они создали детальную компьютерную модель движения воздуха и частиц с помощью вычислительной гидродинамики. В этой виртуальной колонне отслеживались тысячи частиц с измеренными распределениями по размерам, чтобы предсказать, к какому выходу они придут и как долго будут находиться во взвешенном состоянии в колонне.

Что показали эксперименты и моделирование

Для нескольких протестированных материалов, особенно для партии, обозначенной как Гранулят 2, зигзагообразный сепаратор заметно повысил чистоту меди. При более высоком потоке воздуха тяжёлая фракция достигала почти 99,9% меди, тогда как лёгкая струя уносила больше олово‑покрытых и других загрязнённых частиц. Компьютерные симуляции улавливали общие тенденции, такие как смещение мелких, а затем и более крупных гранул в лёгкую фракцию при увеличении скорости воздуха и увеличение их времени пребывания в колонне. Однако согласованность между моделью и реальностью сильно зависела от формы частиц. Для гранулятов, состоящих из прямых, нитевидных кусков или множества несферических зерен, ошибки модели значительно увеличивались, потому что в ней предполагалось единое среднее значение «округлости» для всех частиц.

Что это означает для переработки и проектирования

Для неспециалистов главный вывод прост: при правильно настроенном воздушном потоке в зигзагообразной трубе переработчики могут механически очистить медь из старых кабелей до очень высокой чистоты, затрачивая значительно меньше энергии, чем при переплавке всего материала с нуля. Исследование также показывает, что компьютерные модели могут помочь в проектировании и оптимизации такого оборудования, но лишь тогда, когда они учитывают причудливые формы реальных обломков. Уточняя эти модели и адаптируя их к конкретным потокам отходов, перерабатывающие предприятия смогут точнее предсказывать режимы работы сепараторов, максимизировать извлечение меди и поддерживать растущий спрос на этот критический металл, уменьшая при этом давление на рудники и окружающую среду.

Цитирование: 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

Ключевые слова: переработка меди, отходы электрических кабелей, аэроклассификация, зигзагообразный сепаратор, вычислительная гидродинамика