Ultrazvučno izluživanje preobražava recikliranje baterija i urbano rudarenje
Istrošene baterije i elektronički otpad puni su vrijednih materijala poput litija, nikla, mangana i kobalta, ključnih za zadovoljavanje rastuće potražnje u sektorima obnovljive energije i električnih vozila. Urbano rudarenje – postupak oporabe tih metala iz odbačenih baterija i drugog elektroničkog otpada – obećavajući je put prema kružnom gospodarstvu jer smanjuje potrebu za rudarenjem primarnih sirovina i količinu otpada. Ključna tehnika u tom području jest sonikacija, koja je pokazala goleme prednosti u povećanju stupnja oporabe metala, skraćivanju vremena obrade i poboljšanju održivosti.
Snaga sonikacije u recikliranju baterija i urbanom rudarenju: prekretnica za održivu oporabu resursa
Nedavna studija autora Canciani i sur. (2024) istražuje učinke ultrazvučne kavitacije – sitnih udarnih valova koje stvaraju ultrazvučni valovi visokog intenziteta – na postupak izluživanja 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 kemikalijama.
U nastavku pročitajte više o rezultatima studije!
Ultrazvučno potpomognuto izluživanje kiselinom odvija se dvanaest puta brže od konvencionalnog izluživanja kiselinom zahvaljujući povoljnom mehaničkom djelovanju kavitacijskih mjehurića koji pucaju blizu površine. Ta pojava poboljšava miješanje kiselinske otopine, čime se poboljšavaju svojstva prijenosa.
Slika i studija: © Canciani et al., 2024
Sonikator UIP16000hdT pouzdano obrađuje velike količine otpadnih suspenzija koje sadržavaju metale, olakšavajući izluživanje plemenitih metala i ruda.
Kako sonikacija djeluje pri recikliranju baterija
Pri uobičajenom recikliranju baterija katodni materijali (koji sadržavaju vrijedne metale) otapaju se u kiseloj otopini, što je postupak koji se naziva „izluživanje”. Taj pristup omogućuje odvajanje i oporabu metala iz čvrste strukture baterije. Međutim, konvencionalno izluživanje dugotrajan je postupak koji često traje satima kako bi se postigla znatna oporaba metala. Zahtijeva i jake kiseline te visoke temperature, što izaziva zabrinutost zbog utjecaja na okoliš.
Sonikacija preobražava taj postupak uvođenjem ultrazvučnih valova izravno u otopinu za izluživanje. U studiji autora Canciani i sur., objavljenoj 2024., istraživači su ispitali tu tehniku na zamjenskom materijalu baterije, litij-kobalt-nikal-manganovu oksidu (NMC). Primjenom ultrazvučnih valova određene frekvencije i amplitude utvrdili su da ultrazvučna kavitacija skraćuje vrijeme izluživanja za više od 80%. Postupak koji je trajao satima skraćen je na svega nekoliko minuta, što predstavlja revolucionarno poboljšanje učinkovitosti.
Uloga sonikacije u poboljšanom izluživanju: znanstvena osnova prijenosa tvari i brzine
Sonikacija ne ubrzava samo izluživanje; ona mijenja način na koji kisela otopina međudjeluje s česticama baterije. Ultrazvuk velike snage stvara milijune mikroskopskih mjehurića koji brzo kolabiraju u otopini, što je pojava poznata kao kavitacija. Time nastaju snažne lokalne sile koje razgrađuju površinske čestice i povećavaju međudjelovanje kiseline i metala unutar materijala baterije.
Prema autorima Canciani i sur. (2024), taj postupak ima dva glavna učinka na materijale baterije: povećava poroznost čestica i smanjuje njihovu veličinu, što dovodi do izrazitog povećanja površine. Veća površina omogućuje opsežnije međudjelovanje kiseline s materijalom, čime se olakšava brže izluživanje. Autori su uočili da se volumen pora u soniciranim uzorcima povećao za red veličine u usporedbi s uzorcima obrađenima konvencionalnim postupkom, stvarajući više putova kojima kiselina može doprijeti do sadržanih metala i otopiti ih.
SEM snimke čestica u različitim trenucima konvencionalnog (a–c) i ultrazvučnog (d–f) izluživanja.
Slika i studija: © Canciani et al., 2024
Sonikatori za izluživanje pri recikliranju baterija i urbanom rudarenju.
Ultrazvučno izluživanje: poboljšana svojstva prijenosa i mikromiješanje
Istraživanje također upućuje na to da ultrazvučna kavitacija ne samo da poboljšava površinski kontakt nego i znatno poboljšava svojstva prijenosa. U osnovi to znači da raspodjela kiseline po česticama baterijskog materijala postaje ujednačenija, pri čemu mikromiješanje izazvano kavitacijom osigurava ravnomjernu izloženost. Time nastaje homogeno reakcijsko okruženje koje omogućuje kiselini učinkovitije i ravnomjernije otapanje metala.
Još je jedan značajan nalaz da koristi ultrazvučne kavitacije nadilaze smanjenje veličine čestica. Istraživači su utvrdili da kavitacija mijenja mehanizam međudjelovanja kiseline i čestica, vjerojatno zbog poboljšanog prijenosa kroz granični sloj. Jednostavno rečeno, kavitacija smanjuje debljinu sloja tekućine koji okružuje svaku česticu, omogućujući brže otapanje metala.
Raspodjele veličine čestica nakon ultrazvučnog i konvencionalnog izluživanja
Slika i istraživanje: © Canciani et al., 2024
Koristi za urbano rudarenje i održivost
Učinkovitost sonikacije u recikliranju baterija pruža golem potencijal za budućnost urbanog rudarenja i održivog oporavka resursa. Nalazi istraživanja Canciani et al. (2024) upućuju na to da će sonikacija zamijeniti postupke štetne za okoliš ili smanjiti oslanjanje na njih tako što će omogućiti:
- Smanjenje uporabe kemikalija: Ultrazvučno potpomognuto izluživanje omogućuje uporabu ekološki prihvatljivijih otapala poput octene kiseline umjesto agresivnijih kiselina koje su obično potrebne za konvencionalno izluživanje.
- Smanjenje energetskih potreba: Uz sonikaciju se izluživanje odvija brzo pri sobnoj temperaturi umjesto da zahtijeva dugotrajno zagrijavanje, čime se smanjuju potrošnja energije i emisije.
- Povećanje oporavka materijala: Poboljšano međudjelovanje na površini i povećana poroznost maksimiziraju stope oporavka vrijednih metala, čineći postupak recikliranja ekonomski isplativim i prihvatljivim za okoliš.
Širi utjecaj na industriju baterija
Kako se širi uporaba električnih vozila i tehnologija obnovljive energije, potražnja za baterijama, a time i za metalima u njima, naglo raste. Urbano rudarenje uz recikliranje potpomognuto sonikacijom omogućuje održiv oporavak tih metala, smanjujući opterećenje okoliša povezano s rudarenjem i omogućujući pristup proizvodnji i zbrinjavanju baterija u zatvorenom krugu.
Povećanje opsega primjene metoda recikliranja temeljenih na sonikaciji, optimizacija kombinacija otapala i usavršavanje primjene ultrazvučnih valova dodatno će povećati učinkovitost. Hielscher Ultrasonics rado će vam preporučiti idealnu konfiguraciju sonikatora za rad u protočnom sustavu za vaš postupak izluživanja. Obratite nam se odmah!
- visoka učinkovitost
- najsuvremenija tehnologija
- pouzdanost i robusnost
- prilagodljivo, precizno upravljanje procesom
- šaržni rad i rad u protočnom sustavu
- za bilo koji volumen
- inteligentan softver
- pametne funkcije (npr. mogućnost programiranja, bilježenje podataka, daljinsko upravljanje)
- jednostavno i sigurno rukovanje
- mali zahtjevi za održavanjem
- CIP (čišćenje na mjestu)
Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj
Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Ultrazvučni uređaji Hielscher lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.
Hielscher Ultrasonics tvrtka je certificirana prema ISO-u koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnim rukovanjem. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher sukladni su zahtjevima za oznaku CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.
Tablica u nastavku daje vam uvid u približan kapacitet 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 | skup uređaja UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za miješanje, dispergiranje, emulgiranje i ekstrakciju u laboratorijskom, pilotnom 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
Što je postupak izluživanja?
Izluživanje je postupak kojim se vrijedni metali izdvajaju iz čvrstih materijala otapanjem u tekućem otapalu, obično kiseloj otopini. Ovom se tehnikom razgrađuje čvrsta matrica, čime se metalnim ionima omogućuje prelazak u otopinu, iz koje se mogu dalje pročišćavati i izdvajati. Izluživanje se široko primjenjuje u rudarstvu i recikliranju za dobivanje metala iz ruda i otpadnih materijala.
Koja je razlika između ekstrakcije i izluživanja?
Ekstrakcija i izluživanje označavaju postupke kojima se vrijedne tvari odvajaju iz čvrstog materijala, ali se razlikuju po metodama i kontekstima primjene. Ekstrakcija se općenito odnosi na širi raspon tehnika kojima se uklanja određena tvar, često uz upotrebu otapala za njezino odvajanje od drugih sastojaka, a može uključivati različite fizikalne, kemijske ili toplinske metode. Izluživanje je, s druge strane, posebna vrsta ekstrakcije koja uključuje otapanje metala ili drugih topljivih tvari iz čvrste tvari u tekućini, obično upotrebom kisele ili lužnate otopine. Izluživanje se često primjenjuje u rudarstvu, metalurgiji i postupcima recikliranja. Dok se ekstrakcija može primijeniti na različite tvari, izluživanje se odnosi upravo na selektivno uklanjanje otopljenih tvari iz čvrstih tvari pomoću tekućih otapala.
Koje se tvari obično upotrebljavaju za izluživanje?
Tvari koje se obično upotrebljavaju za izluživanje uključuju **kiseline**, **lužine** i **otapala**, ovisno o materijalu koji se obrađuje. Često upotrebljavana sredstva za izluživanje uključuju:
- Kiseline:
- Sumporna kiselina: Često se upotrebljava za ekstrakciju bakra, nikla i uranija.
- Klorovodična kiselina: Upotrebljava se za izluživanje metala kao što su bakar i zlato.
- Dušična kiselina: Obično se upotrebljava za izluživanje plemenitih metala, osobito zlata i srebra.
- Octena kiselina: Ponekad se upotrebljava u ekološki prihvatljivim postupcima izluživanja ili postupcima izluživanja na organskoj osnovi.
- Lužine:
Natrijev hidroksid (kaustična soda): Upotrebljava se za ekstrakciju glinice iz boksitne rude ili za izluživanje određenih metala poput zlata i cinka. - Otapala:
- Cijanid: Često se upotrebljava u rudarstvu zlata i srebra za izluživanje zlata iz rude (cijanizacija).
- Amonijak: Upotrebljava se za izluživanje bakra i drugih neplemenitih metala.
Te tvari pomažu otopiti određene metale ili minerale iz ruda, otpadnih materijala ili drugih čvrstih tvari, olakšavajući dobivanje vrijednih materijala.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorijskih do industrijskih veličina.