Ultraääniliuotus mullistaa akkujen kierrätyksen ja kaupunkikaivostoiminnan
Käytetyt akut ja elektroniikkajäte sisältävät runsaasti arvokkaita materiaaleja, kuten litiumia, nikkeliä, mangaania ja kobolttia, jotka ovat välttämättömiä uusiutuvan energian ja sähköajoneuvojen alojen kasvavan kysynnän tyydyttämiseksi. Kaupunkikaivostoiminta – näiden metallien talteenotto käytöstä poistetuista akuista ja muusta elektroniikkajätteestä – on lupaava tie kiertotalouteen, sillä se vähentää neitseellisten raaka-aineiden louhinnan tarvetta ja minimoi jätteen määrän. Alan keskeinen tekniikka on ultraäänikäsittely, josta on osoitettu olevan huomattavaa hyötyä metallien talteenottoasteen nostamisessa, käsittelyaikojen lyhentämisessä ja kestävyyden parantamisessa.
Ultraäänikäsittelyn teho akkujen kierrätyksessä ja kaupunkikaivostoiminnassa: mullistava menetelmä kestävään raaka-aineiden talteenottoon
Cancianin ym. (2024) tuore tutkimus tarkastelee ultraäänikavitaation – voimakkaiden ultraääniaaltojen synnyttämien pienten iskuaaltojen – vaikutuksia akkujen kierrätyksen liuotusprosessiin. Tutkimus osoittaa, että ultraäänikäsittely ei ole vain pieni parannus perinteiseen kierrätykseen: se muuttaa perustavanlaatuisesti kierrätysprosessin vuorovaikutusta akkumateriaalin kanssa ja tekee prosessista nopeamman, tehokkaamman ja vähemmän riippuvaisen voimakkaista kemikaaleista.
Lue lisää tutkimustuloksista alta!
Ultraäänellä tehostettu happoliuotus on kaksitoista kertaa nopeampaa kuin perinteinen happoliuotus, mikä johtuu pinnan lähellä puhkeavien kavitaatiokuplien hyödyllisestä mekaanisesta vaikutuksesta. Tämä ilmiö parantaa happoliuoksen sekoittumista ja siten aineensiirto-ominaisuuksia.
Kuva ja tutkimus: © Canciani et al., 2024
Ultraäänilaite UIP16000hdT käsittelee luotettavasti suuria määriä metallipitoisia jätelietteitä ja helpottaa jalometallien ja malmien liuotusta.
Miten ultraäänikäsittely toimii akkujen kierrätyksessä
Tavanomaisessa akkujen kierrätyksessä katodimateriaalit (jotka sisältävät arvokkaita metalleja) liuotetaan happamaan liuokseen. Tätä prosessia kutsutaan liuotukseksi. Menetelmä mahdollistaa metallien erottamisen ja talteenoton akun kiinteästä rakenteesta. Perinteinen liuotus on kuitenkin aikaa vievää: merkittävän metallien talteenottoasteen saavuttaminen kestää usein tunteja. Se vaatii myös vahvoja happoja ja korkeita lämpötiloja, mikä herättää huolta ympäristövaikutuksista.
Ultraäänikäsittely mullistaa tämän prosessin johtamalla ultraääniaaltoja suoraan liuotusliuokseen. Cancianin ym. vuonna 2024 julkaistussa tutkimuksessa tutkijat testasivat tekniikkaa akkumateriaalia edustavalla korvaavalla materiaalilla, litiumkobolttinikkelimangaanioksidilla (NMC). Käyttämällä ultraääniaaltoja tietyllä taajuudella ja amplitudilla he havaitsivat, että ultraäänikavitaatio lyhentää liuotusaikaa yli 80 %. Tunteja kestänyt prosessi lyheni muutamiin minuutteihin, mikä paransi tehokkuutta mullistavasti.
Ultraäänikäsittelyn rooli tehostetussa liuotuksessa: aineensiirron ja nopeuden tieteellinen perusta
Ultraäänikäsittely ei ainoastaan nopeuta liuotusta, vaan muuttaa happaman liuoksen ja akkuhiukkasten välistä vuorovaikutusta. Suuritehoinen ultraääni synnyttää miljoonia mikroskooppisia kuplia, jotka romahtavat nopeasti liuoksessa. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Se synnyttää voimakkaita paikallisia voimia, jotka hajottavat pinnan hiukkasia ja lisäävät hapon ja akkumateriaalin sisältämien metallien välistä vuorovaikutusta.
Cancianin ym. (2024) mukaan prosessilla on kaksi pääasiallista vaikutusta akkumateriaaleihin: se lisää hiukkasten huokoisuutta ja pienentää niiden kokoa, mikä kasvattaa pinta-alaa huomattavasti. Suurempi pinta-ala mahdollistaa hapon laajemman vuorovaikutuksen materiaalin kanssa ja nopeuttaa siten liuotusta. Kirjoittajat havaitsivat, että ultraäänikäsiteltyjen näytteiden huokostilavuus kasvoi yhden kertaluokan verrattuna perinteisesti käsiteltyihin näytteisiin. Näin syntyi enemmän reittejä, joiden kautta happo voi liuottaa metallisisällön.
SEM-kuvia hiukkasista perinteisen (a–c) ja ultraääniliuotuksen (d–f) eri ajankohtina.
Kuva ja tutkimus: © Canciani et al., 2024
Ultraäänilaitteet liuotukseen akkujen kierrätyksessä ja kaupunkikaivostoiminnassa.
Ultraääniliuotus: paremmat aineensiirto-ominaisuudet ja mikrosekoittuminen
Tutkimus viittaa myös siihen, että ultraäänikavitaatio paitsi tehostaa pintakontaktia myös parantaa merkittävästi aineensiirto-ominaisuuksia. Käytännössä tämä tarkoittaa, että happo jakautuu tasaisemmin akkuhiukkasille, ja kavitaation aiheuttama mikrosekoittuminen varmistaa tasaisen altistumisen. Näin syntyy tasalaatuinen reaktioympäristö, jossa happo liuottaa metalleja tehokkaammin ja tasaisemmin.
Toinen merkittävä havainto on, että ultraäänikavitaation hyödyt ulottuvat hiukkaskoon pienentämistä pidemmälle. Tutkijat havaitsivat, että kavitaatio muuttaa hapon ja hiukkasten välistä vuorovaikutusmekanismia, todennäköisesti parantuneen rajakerroksen aineensiirron ansiosta. Yksinkertaisesti ilmaistuna kavitaatio ohentaa kutakin hiukkasta ympäröivää nestekerrosta ja mahdollistaa siten metallien nopeamman liukenemisen.
Hiukkaskokojakaumat ultraääniliuotuksen ja perinteisen liuotuksen jälkeen
Kuva ja tutkimus: © Canciani et al., 2024
Hyödyt kaupunkikaivostoiminnalle ja kestävyydelle
Ultraäänikäsittelyn tehokkuus akkujen kierrätyksessä tarjoaa valtavia mahdollisuuksia kaupunkikaivostoiminnan ja kestävän raaka-aineiden talteenoton tulevaisuudelle. Cancianin ym. (2024) tulokset osoittavat, että ultraäänikäsittely korvaa ympäristölle haitallisia käytäntöjä tai vähentää riippuvuutta niistä seuraavin tavoin:
- Kemikaalien käytön vähentäminen: Ultraäänellä tehostettu liuotus mahdollistaa ympäristöystävällisempien liuottimien, kuten etikkahapon, käytön perinteisessä liuotuksessa tavallisesti tarvittavien voimakkaampien happojen sijaan.
- Energiantarpeen pienentäminen: Ultraäänikäsittelyssä liuotus tapahtuu nopeasti huoneenlämmössä ilman pitkäkestoisen lämmityksen tarvetta, mikä vähentää energiankulutusta ja päästöjä.
- Materiaalien talteenoton lisääminen: Parempi pintavuorovaikutus ja lisääntynyt huokoisuus maksimoivat arvokkaiden metallien talteenottoasteen ja tekevät kierrätysprosessista taloudellisesti kannattavan ja ympäristöystävällisen.
Laajempi vaikutus akkuteollisuuteen
Sähköajoneuvojen ja uusiutuvan energian teknologioiden yleistyessä akkujen ja siten niiden sisältämien metallien kysyntä kasvaa voimakkaasti. Ultraäänellä tehostettuun kierrätykseen perustuva kaupunkikaivostoiminta tarjoaa keinon ottaa nämä metallit talteen kestävästi, vähentää kaivostoiminnan ympäristökuormitusta ja mahdollistaa suljettuun kiertoon perustuvan lähestymistavan akkujen tuotantoon ja käytöstä poistamiseen.
Ultraäänikäsittelyyn perustuvien kierrätysmenetelmien mittakaavan kasvattaminen, liuotinyhdistelmien optimointi ja ultraääniaaltojen käytön kehittäminen parantavat tehokkuutta entisestään. Hielscher Ultrasonics suosittelee mielellään liuotusprosessiisi ihanteellista ultraäänilaitteiden kokoonpanoa jatkuvatoimiseen käsittelyyn. Ota meihin yhteyttä nyt!
- korkea hyötysuhde
- huipputeknologia
- luotettavuus ja kestävyys
- säädettävä ja tarkka prosessinohjaus
- eräkäsittely ja jatkuvatoiminen käsittely
- kaikille tilavuuksille
- älykäs ohjelmisto
- älykkäät ominaisuudet (esim. ohjelmoitavuus, tietojen tallennus, etäohjaus)
- helppo ja turvallinen käyttää
- vähäinen huoltotarve
- CIP (puhdistus paikallaan)
Suunnittelu, valmistus ja neuvonta – Saksassa tuotettua laatua
Hielscherin ultraäänilaitteet tunnetaan korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeistaan. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscherin ultraäänilaitteet selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.
Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti suuritehoisia ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät huipputeknologia ja käyttäjäystävällisyys. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL-, CSA- ja RoHs-vaatimukset.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erätilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 10–2 000 mL | 20–400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20 L | 0,2–4 L/min | UIP2000hdT |
| 10–100 L | 2–10 L/min | UIP4000hdT |
| 15–150 L | 3–15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | laiteryhmä: UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics valmistaa suuritehoisia ultraäänihomogenisaattoreita sekoitukseen, dispergointiin, emulgointiin ja uuttoon laboratorio-, pilotti- ja teollisessa mittakaavassa.
Kirjallisuus / lähteet
- 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.
Usein kysytyt kysymykset
Mikä on liuotusprosessi?
Liuotusprosessi on menetelmä, jolla arvokkaita metalleja erotetaan kiinteistä materiaaleista liuottamalla ne nestemäiseen liuottimeen, tyypillisesti happamaan liuokseen. Tekniikka hajottaa kiinteän matriisin ja mahdollistaa metalli-ionien siirtymisen liuokseen, josta ne voidaan edelleen puhdistaa ja ottaa talteen. Liuotusta käytetään laajasti kaivostoiminnassa ja kierrätyksessä metallien talteenottoon malmeista ja jätemateriaaleista.
Mitä eroa on uutolla ja liuotuksella?
Uutto ja liuotus tarkoittavat molemmat prosesseja, joilla erotetaan arvokkaita aineita kiinteästä materiaalista, mutta niiden menetelmät ja käyttöyhteydet eroavat toisistaan. Uutto tarkoittaa yleensä laajempaa tekniikoiden joukkoa, jolla poistetaan tietty aine, usein käyttämällä liuottimia sen erottamiseen muista komponenteista. Siihen voi sisältyä erilaisia fysikaalisia, kemiallisia tai termisiä menetelmiä. Liuotus puolestaan on erityinen uuttomenetelmä, jossa metalleja tai muita liukenevia aineita liuotetaan kiinteästä aineesta nesteeseen, tavallisesti happaman tai emäksisen liuoksen avulla. Liuotusta käytetään yleisesti kaivostoiminnassa, metallurgiassa ja kierrätysprosesseissa. Uutto voi kohdistua monenlaisiin aineisiin, kun taas liuotuksessa on kyse nimenomaan liuenneiden aineiden valikoivasta poistamisesta kiinteistä aineista nestemäisten liuottimien avulla.
Mitä aineita liuotuksessa tavallisesti käytetään?
Liuotuksessa käytetään tavallisesti happoja, emäksiä ja liuottimia käsiteltävän materiaalin mukaan. Yleisesti käytettyjä liuotusaineita ovat:
- Hapot:
- Rikkihappo: käytetään usein kuparin, nikkelin ja uraanin uuttamiseen.
- Suolahappo: käytetään metallien, kuten kuparin ja kullan, liuotukseen.
- Typpihappo: käytetään tyypillisesti jalometallien, erityisesti kullan ja hopean, liuotukseen.
- Etikkahappo: käytetään joskus ympäristöystävällisissä tai orgaanisiin aineisiin perustuvissa liuotusprosesseissa.
- Emäkset:
Natriumhydroksidi (lipeä): käytetään alumiinioksidin uuttamiseen bauksiittimalmista tai tiettyjen metallien, kuten kullan ja sinkin, liuotukseen. - Liuottimet:
- Syanidi: käytetään yleisesti kullan ja hopean kaivostoiminnassa kullan liuotukseen malmista (syanidiliuotus).
- Ammoniakki: käytetään kuparin ja muiden epäjalojen metallien liuotukseen.
Nämä aineet auttavat liuottamaan tiettyjä metalleja tai mineraaleja malmeista, jätemateriaaleista tai muista kiinteistä aineista ja helpottavat arvokkaiden materiaalien talteenottoa.
Hielscher Ultrasonics valmistaa suuritehoisia ultraäänihomogenisaattoreita laboratoriomittakaavasta aina teolliseen mittakaavaan.