Ultrazvučno luženje mijenja recikliranje baterija i urbano rudarenje
Istrošene baterije i elektronički otpad prepuni su vrijednih materijala poput litija, nikla, mangana i kobalta, koji su neophodni za rastuću potražnju u sektorima obnovljive energije i električnih vozila. Urbano rudarenje – proces ponovnog dobivanja ovih metala iz odbačenih baterija i drugog elektroničkog otpada – obećavajući je put prema cirkularnoj ekonomiji, jer smanjuje potrebu za primarnim rudarenjem i minimizira otpad. Ključna tehnika u ovoj oblasti je ultrazvučna obrada (sonikacija), koja je pokazala izvanredne prednosti u povećanju stopa oporavka metala, skraćenju vremena obrade i poboljšanju održivosti.
Moć sonikacije u recikliranju baterija i urbanom rudarenju: prekretnica za održivi oporavak resursa
Nedavna studija autora Canciani et al. (2024) istražuje učinke ultrazvučne kavitacije – sićušnih udarnih valova koje stvaraju ultrazvučni valovi visokog intenziteta – na proces luženja pri recikliranju baterija. Njihovo istraživanje pokazuje da sonikacija nije samo skromno poboljšanje tradicionalnog recikliranja; ona iz temelja mijenja način na koji proces recikliranja djeluje na materijal baterije, čineći ga bržim, učinkovitijim i manje ovisnim o agresivnim hemikalijama.
Pročitajte više o rezultatima studije u nastavku!
Ultrazvučno potpomognuto kiselinsko luženje odvija se dvanaest puta brže od konvencionalnog kiselinskog luženja zahvaljujući korisnom mehaničkom djelovanju kavitacijskih mjehurića koji pucaju u blizini površine. Ovaj fenomen poboljšava miješanje kiselog rastvora i time unapređuje transportna svojstva.
Slika i studija: © Canciani et al., 2024
Sonikator UIP16000hdT pouzdano obrađuje velike količine suspenzija otpada koji sadrži metale i omogućava luženje plemenitih metala i ruda.
Kako sonikacija djeluje pri recikliranju baterija
Pri tipičnom recikliranju baterija katodni materijali (koji sadrže vrijedne metale) rastvaraju se u kiselom rastvoru, a taj se proces naziva “luženje.” Ovaj pristup omogućava odvajanje i izdvajanje metala iz čvrste strukture baterije. Međutim, konvencionalno luženje oduzima mnogo vremena i često traje satima da bi se postigao značajan oporavak metala. Također zahtijeva jake kiseline i visoke temperature, što izaziva zabrinutost zbog utjecaja na okoliš.
Sonikacija mijenja ovaj proces tako što ultrazvučne valove unosi direktno u rastvor za luženje. U studiji koju su 2024. objavili Canciani et al., istraživači su ovu tehniku testirali na zamjenskom materijalu baterije, litij kobalt nikal mangan oksidu (NMC). Primjenom ultrazvučnih valova određene frekvencije i amplitude utvrdili su da ultrazvučna kavitacija skraćuje vrijeme luženja za više od 80%. Proces se sa nekoliko sati sveo na pitanje minuta, što predstavlja revolucionarno poboljšanje učinkovitosti.
Uloga sonikacije u poboljšanom luženju: nauka iza prijenosa mase i brzine
Sonikacija ne samo da ubrzava luženje; ona mijenja način na koji kiseli rastvor djeluje na čestice baterije. Ultrazvuk velike snage stvara milione mikroskopskih mjehurića koji se brzo urušavaju u rastvoru, što je fenomen poznat kao kavitacija. Ovo djelovanje stvara intenzivne lokalne sile koje razbijaju površinske čestice i pojačavaju interakciju između kiseline i metala unutar materijala baterije.
Prema Canciani et al. (2024), ovaj proces ima dva primarna učinka na materijale baterije: povećava poroznost čestica i smanjuje njihovu veličinu, što dovodi do dramatičnog povećanja površine. Uz veću površinu kiselina može intenzivnije djelovati na materijal, čime se olakšava brže luženje. Autori su primijetili da se zapremina pora u sonificiranim uzorcima povećala za jedan red veličine u poređenju s onima obrađenim konvencionalno, čime se stvara više puteva kojima kiselina rastvara sadržaj metala.
SEM snimci čestica u različitim vremenima konvencionalnog (a–c) i ultrazvučnog (d–f) luženja.
Slika i studija: © Canciani et al., 2024
Sonikatori za luženje pri recikliranju baterija i urbanom rudarenju.
Ultrazvučno luženje: poboljšana transportna svojstva i mikromiješanje
Studija također sugerira da ultrazvučna kavitacija ne samo da pojačava površinski kontakt, već i znatno poboljšava transportna svojstva. U suštini, to znači da raspodjela kiseline po česticama baterije postaje ujednačenija, pri čemu mikromiješanje izazvano kavitacijom osigurava ravnomjernu izloženost. To dovodi do homogenizirane reakcijske sredine, što kiselini omogućava da efikasnije i ravnomjernije rastvara metale.
Još jedan značajan nalaz jest da prednosti ultrazvučne kavitacije nadilaze smanjenje veličine čestica. Istraživači su utvrdili da kavitacija mijenja mehanizam interakcije između kiseline i čestica, vjerovatno zbog poboljšanog transporta u graničnom sloju. Jednostavno rečeno, kavitacija smanjuje debljinu tečnog sloja koji okružuje svaku česticu, što omogućava brže rastvaranje metala.
Raspodjele veličine čestica nakon ultrazvučnog i konvencionalnog luženja
Slika i studija: © Canciani et al., 2024
Prednosti za urbano rudarenje i održivost
Efikasnost sonikacije u recikliranju baterija ima ogroman potencijal za budućnost urbanog rudarenja i održivog oporavka resursa. Nalazi studije Canciani et al. (2024) ukazuju na to da će sonikacija zamijeniti ili smanjiti oslanjanje na praksu štetnu po okoliš na sljedeće načine:
- Smanjenje upotrebe hemikalija: Ultrazvučno potpomognuto luženje omogućava upotrebu zelenijih otapala poput octene kiseline umjesto agresivnijih kiselina koje su obično potrebne za konvencionalno luženje.
- Smanjenje potrebe za energijom: Uz sonikaciju se luženje brzo odvija na sobnoj temperaturi, bez potrebe za dugotrajnim zagrijavanjem, što smanjuje potrošnju energije i emisije.
- Povećanje oporavka materijala: Poboljšana interakcija na površini i povećana poroznost maksimiziraju stope oporavka vrijednih metala, čime proces recikliranja postaje ekonomski isplativ i ekološki prihvatljiv.
Širi utjecaj na industriju baterija
Kako se električna vozila i tehnologije obnovljive energije šire, potražnja za baterijama, a samim tim i za metalima u njima, naglo raste. Urbano rudarenje uz recikliranje potpomognuto sonikacijom nudi način održivog oporavka ovih metala, smanjuje opterećenje okoliša od rudarenja i nudi pristup proizvodnji i zbrinjavanju baterija u zatvorenom ciklusu.
Uvećanje razmjera metoda recikliranja zasnovanih na sonikaciji, optimizacija kombinacija otapala i usavršavanje primjene ultrazvučnih valova dodatno će povećati učinkovitost. Hielscher Ultrasonics rado će vam preporučiti idealnu inline konfiguraciju sonikatora za vaš proces luženja. Kontaktirajte nas odmah!
- visoka učinkovitost
- najsavremenija tehnologija
- pouzdanost & robusnost
- podesiva, precizna kontrola procesa
- šaržni & inline
- za bilo koji volumen
- inteligentan softver
- pametne funkcije (npr. programabilnost, protokolisanje podataka, daljinsko upravljanje)
- jednostavan i siguran za rad
- nizak nivo održavanja
- CIP (čišćenje na mjestu)
Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvalitet proizveden u Njemačkoj
Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišem kvalitetu i standardima dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako se nose s teškim uslovima i zahtjevnim okruženjima.
Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i posebnu pažnju posvećuje visokoučinkovitim ultrazvučnim uređajima koji odlikuju najsavremenijom tehnologijom i jednostavnošću upotrebe. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji usklađeni su s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.
Tabela u nastavku daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster od UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskom, pilot i industrijskom mjerilu.
Literatura / reference
- Chiara Canciani, Elia Colleoni, Varaha P. Sarvothaman, Paolo Guida, William L. Roberts (2024): On the effect of cavitation on particles in leaching processes: implications to battery recycling. Environmental Advances, Volume 17, 2024.
- Wang, J.; Faraji, F.; Ghahreman, A. (2020): Effect of Ultrasound on the Oxidative Copper Leaching from Chalcopyrite in Acidic Ferric Sulfate Media. Minerals 2020, 10, 633.
- J.L Luque-Garcı́a, M.D Luque de Castro (2003): Ultrasound: a powerful tool for leaching. TrAC Trends in Analytical Chemistry, Volume 22, Issue 1, 2003. 41-47.
Često postavljana pitanja
Šta je proces luženja?
Proces luženja je metoda koja se koristi za izdvajanje vrijednih metala iz čvrstih materijala njihovim rastvaranjem u tečnom otapalu, obično kiselom rastvoru. Ova tehnika razgrađuje čvrstu matricu, omogućavajući metalnim ionima da pređu u rastvor, iz kojeg se mogu dalje pročišćavati i izdvajati. Luženje se široko primjenjuje u rudarstvu i recikliranju za dobivanje metala iz ruda i otpadnih materijala.
Koja je razlika između ekstrakcije i luženja?
Ekstrakcija i luženje odnose se na procese koji se koriste za izdvajanje vrijednih supstanci iz čvrstog materijala, ali se razlikuju po metodama i kontekstima. Ekstrakcija se općenito odnosi na širi spektar tehnika koje se koriste za uklanjanje određene supstance, često uz upotrebu otapala za njeno odvajanje od ostalih komponenti, i može uključivati različite fizičke, hemijske ili termičke metode. Luženje je, s druge strane, specifična vrsta ekstrakcije koja podrazumijeva rastvaranje metala ili drugih rastvorenih supstanci iz čvrste materije u tečnost, obično upotrebom kiselog ili alkalnog rastvora. Luženje se uobičajeno koristi u rudarstvu, metalurgiji i procesima recikliranja. Dok se ekstrakcija može primjenjivati na raznovrsne supstance, luženje posebno podrazumijeva selektivno uklanjanje rastvorenih supstanci iz čvrstih materija pomoću tečnih otapala.
Koje se tipične supstance koriste za luženje?
Tipične supstance koje se koriste za luženje uključuju **kiseline**, **alkalije** i **otapala**, ovisno o materijalu koji se obrađuje. Uobičajeno korištena sredstva za luženje uključuju:
- Kiseline:
- Sumporna kiselina: Često se koristi u ekstrakciji bakra, nikla i urana.
- Hlorovodonična kiselina: Koristi se u luženju metala kao što su bakar i zlato.
- Azotna kiselina: Obično se koristi u luženju plemenitih metala, posebno zlata i srebra.
- Octena kiselina: Ponekad se koristi u ekološki prihvatljivim ili organskim procesima luženja.
- Alkalije:
Natrijev hidroksid (kaustična soda): Koristi se u ekstrakciji glinice iz boksitne rude ili u luženju određenih metala poput zlata i cinka. - Otapala:
- Cijanid: Obično se koristi u rudarenju zlata i srebra za luženje zlata iz rude (cijanidacija).
- Amonijak: Koristi se u luženju bakra i drugih neplemenitih metala.
Ove supstance pomažu u rastvaranju određenih metala ili minerala iz ruda, otpadnih materijala ili drugih čvrstih materija, olakšavajući oporavak vrijednih materijala.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijske do industrijske veličine.