Ultraheli leostus muudab akude taaskasutuse ja linnakaevandamise
Kasutatud akud ja elektroonikajäätmed on täis väärtuslikke materjale, nagu liitium, nikkel, mangaan ja koobalt, mis on olulised taastuvenergia ja elektrisõidukite sektori kasvava nõudluse jaoks. Linnakaevandamine – nende metallide taaskasutuselevõtt äraviidud akudest ja muudest elektroonikajäätmetest – on paljulubav tee ringmajanduseni, mis vähendab vajadust neitsilike maavarade kaevandamise järele ja minimeerib jäätmeid. Selle valdkonna võtmetehnika on ultraheli töötlus (sonikeerimine), mis on näidanud suurt kasu metallide taaskasutusmäärade suurendamisel, töötlusaegade lühendamisel ja jätkusuutlikkuse parandamisel.
Ultraheli töötluse jõud akude taaskasutuses ja linnakaevandamises: murranguline lahendus jätkusuutlikuks ressursside taaskasutuseks
Canciani et al. (2024) hiljutine uuring käsitleb ultraheli kavitatsiooni – suure intensiivsusega ultrahelilainete tekitatud pisikesi lööklaineid – mõju akude taaskasutuse leostusprotsessile. Nende uurimus näitab, et ultraheli töötlus ei ole pelgalt tagasihoidlik parendus traditsioonilisele taaskasutusele; see muudab põhimõtteliselt seda, kuidas taaskasutusprotsess akumaterjaliga suhtleb, muutes selle kiiremaks, tõhusamaks ja vähem sõltuvaks karmidest kemikaalidest.
Lugege uuringu tulemustest lähemalt allpool!
Ultraheliga tõhustatud happeleostus toimub kaksteist korda kiiremini kui tavapärane happeleostus, kuna pinna lähedal lõhkevad kavitatsioonimullid avaldavad kasulikku mehaanilist toimet. See nähtus parandab happelahuse segunemist ja täiustab seeläbi transpordiomadusi.
Pilt ja uuring: © Canciani et al., 2024
Sonikaator UIP16000hdT töötleb töökindlalt suurt läbilaset metallisisaldavaid jäätmesuspensioone, hõlbustades väärismetallide ja maakide leostamist.
Kuidas ultraheli töötlus akude taaskasutuses toimib
Tüüpilises akude taaskasutuses lahustatakse katoodimaterjalid (mis sisaldavad väärtuslikke metalle) happelises lahuses, mida nimetatakse „leostamiseks“. See lähenemine võimaldab metalle akude tahkest struktuurist eraldada ja taaskasutusse võtta. Tavapärane leostamine on aga ajamahukas ning olulise metallide taaskasutuse saavutamine võtab sageli tunde. Samuti nõuab see tugevaid happeid ja kõrgeid temperatuure, mis tekitab muret keskkonnamõju pärast.
Ultraheli töötlus muudab seda protsessi, viies ultrahelilained otse leostuslahusesse. Canciani et al. 2024. aastal avaldatud uuringus katsetasid teadlased seda tehnikat asendusakumaterjaliga, liitium-koobalt-nikkel-mangaanoksiidiga (NMC). Rakendades ultrahelilaineid kindlal sagedusel ja amplituudil, leidsid nad, et ultraheli kavitatsioon lühendab leostusaega üle 80%. Protsess, mis varem võttis tunde, kestis nüüd vaid minuteid, pakkudes revolutsioonilist tõhususe paranemist.
Ultraheli töötluse roll tõhustatud leostuses: massiülekande ja kiiruse teaduslik taust
Ultraheli töötlus ei kiirenda leostamist mitte ainult; see muudab seda, kuidas happeline lahus akuosakestega suhtleb. Suure võimsusega ultraheli tekitab miljoneid mikroskoopilisi mullikesi, mis lahuses kiiresti kokku kuklevad – seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks. See toime tekitab intensiivseid lokaalseid jõude, mis lõhuvad pinnaosakesi ning suurendavad happe ja akumaterjalis sisalduvate metallide vahelist vastasmõju.
Canciani et al. (2024) kohaselt on sellel protsessil akumaterjalidele kaks peamist mõju: see suurendab osakeste poorsust ja vähendab nende suurust, mis toob kaasa pindala järsu kasvu. Suurema pindalaga saab hape materjaliga ulatuslikumalt suhelda, mis kiirendab leostamist. Autorid täheldasid, et ultraheliga töödeldud proovides suurenes pooride ruumala suurusjärgu võrra võrreldes tavapäraselt töödeldud proovidega, luues happele rohkem teid metallisisalduse lahustamiseks.
SEM-kujutised osakestest tavapärase (a–c) ja ultraheli (d–f) leostuse eri aegadel.
Pilt ja uuring: © Canciani et al., 2024
Sonikaatorid leostamiseks akude taaskasutuses ja linnakaevandamises.
Ultraheli abil leostamine: parem massiülekanne ja mikrosegamine
Uuring viitab ka sellele, et ultraheli kavitatsioon mitte ainult ei suurenda pinnakontakti, vaid parandab oluliselt ka transpordiomadusi. Sisuliselt tähendab see, et hape jaotub akuosakeste vahel ühtlasemalt ning kavitatsiooni tekitatud mikrosegamine tagab ühtlase kokkupuute. See loob homogeenitud reaktsioonikeskkonna, mis võimaldab happel lahustada metalle tõhusamalt ja ühtlasemalt.
Teine tähelepanuväärne tulemus on see, et ultraheli kavitatsiooni eelised ulatuvad osakeste suuruse vähendamisest kaugemale. Teadlased leidsid, et kavitatsioon muudab happe ja osakeste vahelist vastasmõju mehhanismi, tõenäoliselt tänu paranenud piirkihi transpordile. Lihtsamalt öeldes vähendab kavitatsioon iga osakest ümbritseva vedelikukihi paksust, mis võimaldab metallide kiiremat lahustumist.
Osakeste suurusjaotus pärast ultraheli abil ja tavapärast leostamist
Pilt ja uuring: © Canciani et al., 2024
Eelised linnakaevandamisele ja jätkusuutlikkusele
Ultraheli töötluse (sonikeerimise) tõhusus akude ringlussevõtul pakub suurt potentsiaali linnakaevandamise ja jätkusuutliku ressursside taaskasutamise tulevikuks. Canciani et al. (2024) tulemused viitavad sellele, et ultraheli töötlus asendab keskkonda kahjustavad tavad või vähendab sõltuvust neist, kuna:
- Kemikaalide kasutuse vähendamine: Ultraheli abil tõhustatud leostamine võimaldab kasutada keskkonnasõbralikumaid lahusteid, näiteks äädikhapet, tavapärase leostamise jaoks tavaliselt vajalike agressiivsemate hapete asemel.
- Energiavajaduse vähendamine: Ultraheli töötluse korral toimub leostamine kiiresti toatemperatuuril, mitte ei nõua pikaajalist kuumutamist, mis vähendab energiatarbimist ja heitmeid.
- Materjali taaskasutuse suurendamine: Parem pinnavastasmõju ja suurem poorsus maksimeerivad väärtuslike metallide taaskasutusmäärasid, muutes ringlussevõtu protsessi majanduslikult otstarbekaks ja keskkonnasõbralikuks.
Laiem mõju akutööstusele
Elektrisõidukite ja taastuvenergia tehnoloogiate laienedes kasvab akude ning seega ka neis sisalduvate metallide nõudlus hüppeliselt. Linnakaevandamine koos ultraheli töötlusega tõhustatud ringlussevõtuga pakub võimaluse need metallid jätkusuutlikult taaskasutada, vähendades kaevandamise keskkonnakoormust ja pakkudes suletud ringlusega lähenemist akude tootmisele ja kasutuselt kõrvaldamisele.
Ultraheli töötlusel põhinevate ringlussevõtu meetodite mastaapimine, lahustikombinatsioonide optimeerimine ja ultrahelilainete rakendamise täiustamine suurendavad tõhusust veelgi. Hielscher Ultrasonics soovitab hea meelega teie leostamisprotsessi jaoks ideaalse sonikaatori läbivoolukonfiguratsiooni. Võtke meiega kohe ühendust!
- kõrge tõhusus
- tipptasemel tehnoloogia
- töökindlus ja vastupidavus
- reguleeritav, täpne protsessijuhtimine
- partiitöötlus ja läbivoolurežiim
- mis tahes mahule
- intelligentne tarkvara
- nutikad funktsioonid (nt programmeeritavus, andmete logimine, kaugjuhtimine)
- lihtne ja ohutu kasutada
- väike hooldusvajadus
- CIP (kohapealne puhastus)
Disain, tootmine ja konsulteerimine – kvaliteet, mis on valmistatud Saksamaal
Hielscheri ultrahelitöötlusseadmed (ultrasonikaatorid) on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Vastupidavus ja lihtne kasutus võimaldavad meie seadmete sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Hielscheri ultrasonikaatorid toimivad hõlpsalt ka rasketes tingimustes ja nõudlikes keskkondades.
Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ning pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultrasonikaatoritele, millel on tipptasemel tehnoloogia ja kasutajasõbralikkus. Loomulikult vastavad Hielscheri ultrasonikaatorid CE nõuetele ning täidavad UL-i, CSA ja RoHs-i nõudeid.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 kuni 150L | 3 kuni 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster: UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamiseks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks labori-, pilootmahu- ja tööstusliku mõõtkavaga rakendustes.
Kirjandus / viited
- 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.
Korduma kippuvad küsimused
Mis on leostamisprotsess?
Leostamisprotsess on meetod väärtuslike metallide eraldamiseks tahketest materjalidest, lahustades need vedelas lahustis, tavaliselt happelises lahuses. See tehnika lõhustab tahke maatriksi, võimaldades metalliioonidel lahusesse siseneda, millest neid saab edasi puhastada ja taaskasutada. Leostamist kasutatakse laialdaselt kaevanduses ja ringlussevõtus metallide taaskasutamiseks maakidest ja jäätmematerjalidest.
Mis vahe on ekstraheerimisel ja leostamisel?
Ekstraheerimine ja leostamine tähistavad mõlemad protsesse, mida kasutatakse väärtuslike ainete eraldamiseks tahkest materjalist, kuid need erinevad meetodite ja kasutuskontekstide poolest. Ekstraheerimine tähistab üldiselt laiemat valikut tehnikaid, mida kasutatakse konkreetse aine eemaldamiseks, sageli lahusteid kasutades selle eraldamiseks teistest komponentidest, ning võib hõlmata erinevaid füüsikalisi, keemilisi või termilisi meetodeid. Leostamine seevastu on ekstraheerimise kindel liik, mis hõlmab metallide või muude lahustunud ainete lahustamist tahkest materjalist vedelikku, tavaliselt happelise või aluselise lahuse abil. Leostamist kasutatakse tavaliselt kaevanduses, metallurgias ja ringlussevõtu protsessides. Kuigi ekstraheerimist saab rakendada paljude erinevate ainete puhul, hõlmab leostamine konkreetselt lahustunud ainete selektiivset eemaldamist tahketest ainetest vedelate lahustite abil.
Millised on leostamisel kasutatavad tüüpilised ained?
Leostamiseks kasutatavate tüüpiliste ainete hulka kuuluvad **happed**, **leelised** ja **lahustid**, sõltuvalt töödeldavast materjalist. Sageli kasutatavad leostusained on järgmised:
- Happed:
- Väävelhape: kasutatakse sageli vase, nikli ja uraani ekstraheerimisel.
- Vesinikkloriidhape: kasutatakse metallide, näiteks vase ja kulla leostamisel.
- Lämmastikhape: kasutatakse tavaliselt väärismetallide, eriti kulla ja hõbeda leostamisel.
- Äädikhape: kasutatakse mõnikord keskkonnasõbralikes või orgaanilisel alusel põhinevates leostusprotsessides.
- Leelised:
Naatriumhüdroksiid (seebikivi): kasutatakse alumiiniumoksiidi ekstraheerimisel boksiitmaagist või teatud metallide, näiteks kulla ja tsingi leostamisel. - Lahustid:
- Tsüaniid: kasutatakse tavaliselt kulla- ja hõbedakaevanduses kulla leostamiseks maagist (tsüanileostus).
- Ammoniaak: kasutatakse vase ja muude mitteväärismetallide leostamisel.
Need ained aitavad lahustada kindlaid metalle või mineraale maakidest, jäätmematerjalidest või muudest tahketest ainetest, hõlbustades väärtuslike materjalide taaskasutamist.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laborimudelitest kuni tööstusliku mõõtkavani.