Ultrazvučno ispiranje transformiše recikliranje baterija i urbano rudarstvo
Korištene baterije i elektronski otpad prepuni su vrijednih materijala poput litijuma, nikla, mangana i kobalta, neophodnih za rastuću potražnju u sektoru obnovljivih izvora energije i električnih vozila. Urbano rudarstvo – proces vraćanja ovih metala iz odbačenih baterija i drugog elektronskog otpada – je obećavajući put ka kružnoj ekonomiji, smanjujući potrebu za netaknutim rudarenjem i minimizirajući otpad. Ključna tehnika u ovoj oblasti je sonikacija, koja je pokazala ogromne prednosti u povećanju stope oporavka metala, smanjenju vremena obrade i poboljšanju održivosti.
Snaga sonikacije u recikliranju baterija i urbanom rudarstvu: promjena igre za održivi oporavak resursa
Nedavna studija Canciani et al. (2024) istražuje efekte ultrazvučne kavitacije - sićušnih udarnih valova stvorenih ultrazvučnim valovima visokog intenziteta - na proces ispiranja za recikliranje baterija. Njihovo istraživanje pokazuje da sonikacija nije samo skromno poboljšanje tradicionalnog recikliranja; suštinski menja način na koji proces recikliranja stupa u interakciju sa materijalom baterije, čineći ga bržim, efikasnijim i manje oslanjajući se na jake hemikalije.
Više o nalazima studije pročitajte u nastavku!
Ultrazvučno pojačano luženje kiseline radi brzinom dvanaest puta brže od konvencionalnog kiselog ispiranja, zbog blagotvornog mehaničkog djelovanja kavitacijskih mjehurića koji pucaju blizu površine. Ovaj fenomen poboljšava miješanje kiselih otopina, čime se poboljšavaju svojstva transporta.
Sonicator UIP16000hdT pouzdano obrađuje veliki protok otpadnih mulja koja sadrži metale, olakšavajući ispiranje plemenitih metala i ruda.
Kako Sonication radi u recikliranju baterija
U tipičnom recikliranju baterija, katodni materijali (koji sadrže vrijedne metale) se rastvaraju u kiseloj otopini, proces koji se naziva “luženje.” This approach allows for the separation and recovery of metals from the battery’s solid structure. However, conventional leaching is time-intensive, often taking hours to achieve significant metal recovery. It also requires strong acids and high temperatures, raising concerns over environmental impact.
Sonikacija transformiše ovaj proces dodavanjem ultrazvučnih talasa direktno u rastvor za ispiranje. U studiji Canciani et al. objavljenoj 2024., istraživači su testirali ovu tehniku sa surogatnim materijalom baterije, litijum-kobalt-nikl-mangan-oksidom (NMC). Primjenom ultrazvučnih valova određene frekvencije i amplitude, otkrili su da ultrazvučna kavitacija smanjuje vrijeme luženja za preko 80%. Proces je trajao od nekoliko sati do nekoliko minuta, nudeći revolucionarno poboljšanje efikasnosti.
Uloga ultrazvučne obrade u poboljšanom ispiranju: znanost iza prijenosa mase i brzine
Sonikacija ne samo da ubrzava ispiranje; mijenja način interakcije kiselog rastvora sa česticama baterije. Ultrazvuk velike snage stvara milione mikroskopskih mehurića koji se brzo kolabiraju u rastvoru, što je fenomen poznat kao kavitacija. Ovo djelovanje stvara intenzivne lokalne sile koje razgrađuju površinske čestice i povećavaju interakciju između kiseline i metala unutar materijala baterije.
Prema Canciani et al. (2024), ovaj proces ima dva primarna efekta na materijale baterija: povećava poroznost čestica i smanjuje njihovu veličinu, što dovodi do dramatičnog povećanja površine. Sa većom površinom, kiselina može imati opsežniju interakciju s materijalom, čime se olakšava brže ispiranje. Autori su primijetili da se volumen pora u uzorcima obrađenim ultrazvukom povećao za red veličine u odnosu na one koji su obrađeni na konvencionalni način, stvarajući više puteva za kiselinu da otopi metalni sadržaj.
SEM slike za čestice u različitim vremenima konvencionalnog (a–c) i ultrazvučnog (d–f) ispiranja.
Sonikatori za ispiranje u reciklaži baterija i urbanom rudarstvu.
Ultrazvučno luženje: poboljšana svojstva transporta i mikro-miješanje
Studija također sugerira da ultrazvučna kavitacija ne samo da poboljšava kontakt s površinom već i značajno poboljšava svojstva transporta. U suštini, to znači da distribucija kiseline preko čestica baterije postaje ravnomjernija, a mikromiješanje izazvano kavitacijom osigurava ravnomjerno izlaganje. Ovo dovodi do homogenizovane reakcione sredine, omogućavajući kiselini da efikasnije i ravnomernije otapa metale.
Još jedno značajno otkriće je da se prednosti ultrazvučne kavitacije šire izvan smanjenja veličine čestica. Istraživači su otkrili da kavitacija mijenja mehanizam interakcije između kiseline i čestica, vjerovatno zbog poboljšanog transporta graničnog sloja. Jednostavno rečeno, kavitacija smanjuje debljinu sloja tečnosti koji okružuje svaku česticu, omogućavajući brže otapanje metala.
Raspodjela veličine čestica nakon ultrazvučnog i konvencionalnog ispiranja
Prednosti za urbano rudarstvo i održivost
Efikasnost sonikacije u recikliranju baterija ima ogroman potencijal za budućnost urbanog rudarstva i održivog oporavka resursa. Nalazi Canciani et al. (2024) ukazuju na to da će sonikacija zamijeniti ili smanjiti oslanjanje na prakse štetne po okoliš:
- Smanjenje upotrebe hemikalija: Ultrazvučno poboljšano ispiranje omogućava korištenje zelenijih otapala poput octene kiseline umjesto oštrijih kiselina koje su obično potrebne za konvencionalno ispiranje.
- Smanjenje energetskih zahtjeva: Uz ultrazvuk, ispiranje se događa brzo na sobnoj temperaturi umjesto da zahtijeva produženo zagrijavanje, što smanjuje potrošnju energije i emisije.
- Povećanje povrata materijala: Poboljšana površinska interakcija i povećana poroznost maksimiziraju stope oporavka vrijednih metala, čineći proces recikliranja ekonomski održivim i ekološki prihvatljivim.
Širi uticaj na industriju baterija
Kako se električna vozila i tehnologije obnovljive energije šire, potražnja za baterijama i, samim tim, metalima u njima, raste. Urbano rudarstvo s recikliranjem poboljšanim ultrazvukom nudi način da se ovi metali oporave na održiv način, smanjujući ekološki teret rudarenja i nudeći pristup zatvorene petlje proizvodnji i odlaganju baterija.
Povećavanje metoda recikliranja zasnovanih na sonifikaciji, optimizacija kombinacija rastvarača i rafiniranje primjene ultrazvučnih valova dodatno će povećati efikasnost. Hielscher Ultrasonics će rado preporučiti idealnu inline konfiguraciju sonikatora za vaš proces ispiranja. Kontaktirajte nas sada!
- visoka efikasnost
- najsavremenija tehnologija
- pouzdanost & robusnost
- podesiva, precizna kontrola procesa
- serija & U redu
- za bilo koju zapreminu
- inteligentni softver
- pametne funkcije (npr. programiranje, protokoliranje podataka, daljinsko upravljanje)
- jednostavan i siguran za rad
- nisko održavanje
- CIP (čišćenje na mjestu)
Dizajn, proizvodnja i konsalting – Kvaliteta Made in Germany
Hielscher ultrasonicatori su poznati po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih aparata u industrijske objekte. Hielscher ultrasonikatori lako se nose sa teškim uslovima i zahtevnim okruženjima.
Hielscher Ultrasonics je ISO sertifikovana kompanija i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne aparate visokih performansi koji se odlikuju najsavremenijom tehnologijom i lakoćom korišćenja. Naravno, Hielscher ultrasonikatori su usklađeni sa CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoH.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| N? A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N? A | veći | klaster of UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
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 Postavljena Pitanja
Šta je proces ispiranja?
Proces luženja je metoda koja se koristi za ekstrakciju vrijednih metala iz čvrstih materijala otapanjem u tekućem rastvaraču, obično kiselom rastvoru. Ova tehnika razgrađuje čvrstu matricu, omogućavajući ionima metala da uđu u otopinu, iz koje se mogu dalje pročistiti i oporaviti. Izluživanje se široko primjenjuje u rudarstvu i reciklaži za dobivanje metala iz ruda i otpadnih materijala.
Koja je razlika između ekstrakcije i ispiranja?
Ekstrakcija i ispiranje se odnose na procese koji se koriste za odvajanje vrijednih tvari od čvrstog materijala, ali se razlikuju po metodama i kontekstu. Ekstrakcija se generalno odnosi na širi spektar tehnika koje se koriste za uklanjanje određene supstance, često koristeći rastvarače za odvajanje od drugih komponenti, i može uključivati različite fizičke, hemijske ili termičke metode. S druge strane, luženje je specifična vrsta ekstrakcije koja uključuje otapanje metala ili drugih otopljenih tvari iz čvrste tvari u tekućinu, obično korištenjem kiselog ili alkalnog rastvora. Ispiranje se obično koristi u rudarstvu, metalurgiji i procesima recikliranja. Dok se ekstrakcija može primijeniti na različite tvari, ispiranje posebno uključuje selektivno uklanjanje otopljenih supstanci iz čvrstih tvari pomoću tekućih rastvarača.
Koje su tipične supstance koje se koriste za ispiranje?
Tipične supstance koje se koriste za ispiranje uključuju **kiseline**, **alkalije** i **otapala** u zavisnosti od materijala koji se obrađuje. Uobičajena sredstva za ispiranje uključuju:
- kiseline:
- Sumporna kiselina: Često se koristi za ekstrakciju bakra, nikla i uranijuma.
- Hlorovodonična kiselina: Koristi se za ispiranje metala kao što su bakar i zlato.
- Dušična kiselina: Obično se koristi za ispiranje plemenitih metala, posebno zlata i srebra.
- Sirćetna kiselina: Ponekad se koristi u ekološki prihvatljivim ili organskim procesima luženja.
- alkalije:
Natrijum hidroksid (kaustična soda): Koristi se za ekstrakciju glinice iz rude boksita ili za ispiranje određenih metala poput zlata i cinka. - rastvarači:
- Cijanid: Obično se koristi u iskopavanju zlata i srebra za ispiranje zlata iz rude (cijanidacija).
- Amonijak: Koristi se za ispiranje bakra i drugih prostih 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 ultrazvučne homogenizatore visokih performansi lab to industrijska veličina.