Ultrazvučno ispiranje transformira recikliranje baterija i urbano rudarenje
Iskorištene baterije i elektronički otpad prepuni su vrijednih materijala poput litija, nikla, mangana i kobalta, bitnih za rastuću potražnju u sektoru obnovljivih izvora energije i električnih vozila. Urbano rudarenje — proces ponovnog dobivanja ovih metala iz odbačenih baterija i drugog elektroničkog otpada — obećavajući je put prema kružnom gospodarstvu, smanjujući potrebu za čistim rudarenjem i minimalizirajući otpad. Ključna tehnika u ovom području je sonikacija, koja je pokazala goleme prednosti u povećanju stope povrata metala, smanjenju vremena obrade i poboljšanju održivosti.
Snaga sonikacije u recikliranju baterija i urbanom rudarenju: promjena pravila za održivi oporavak resursa
Nedavno istraživanje Cancianija i sur. (2024.) istražuje učinke 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; iz temelja mijenja način na koji proces recikliranja djeluje s materijalom baterije, čineći ga bržim, učinkovitijim i manje ovisnim o jakim kemikalijama.
Pročitajte više o nalazima studije u nastavku!
Ultrazvučno poboljšano ispiranje kiselinom djeluje dvanaest puta brže od konvencionalnog ispiranja kiselinom, zbog blagotvornog mehaničkog djelovanja kavitacijskih mjehurića koji pucaju blizu površine. Ovaj fenomen poboljšava miješanje kisele otopine, čime se poboljšavaju transportna svojstva.
Slika i studija: © Canciani et al., 2024
Sonikator UIP16000hdT pouzdano obrađuje veliku količinu otpadnih muljeva koji sadrže metal, olakšavajući ispiranje plemenitih metala i ruda.
Kako ultrazvuk radi u recikliranju baterija
U uobičajenom recikliranju baterija, katodni materijali (koji sadrže vrijedne metale) otapaju se u kiseloj otopini, proces tzv. “ispiranje.” Ovaj pristup omogućuje odvajanje i obnavljanje metala iz čvrste strukture baterije. Međutim, konvencionalno ispiranje je dugotrajno, često su potrebni sati da se postigne značajan oporavak metala. Također zahtijeva jake kiseline i visoke temperature, što izaziva zabrinutost zbog utjecaja na okoliš.
Sonikacija transformira ovaj proces dodavanjem ultrazvučnih valova izravno u otopinu za ispiranje. U studiji objavljenoj 2024. koju su proveli Canciani i dr., istraživači su testirali ovu tehniku sa surogatnim baterijskim materijalom, litij kobalt nikal mangan oksidom (NMC). Primjenom ultrazvučnih valova na određenoj frekvenciji i amplitudi, otkrili su da ultrazvučna kavitacija smanjuje vrijeme ispiranja za više od 80%. Proces je od sati trajao do nekoliko minuta, nudeći revolucionarno poboljšanje učinkovitosti.
Uloga sonikacije u poboljšanom ispiranju: znanost iza prijenosa mase i brzine
Sonikacija ne samo da ubrzava ispiranje; mijenja način na koji kisela otopina stupa u interakciju s česticama baterije. Ultrazvuk velike snage stvara milijune mikroskopskih mjehurića koji se brzo kolabiraju u otopini, 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 i sur. (2024), ovaj proces ima dva primarna učinka na materijale baterije: povećava poroznost čestica i smanjuje njihovu veličinu, što dovodi do dramatičnog povećanja površine. S većom površinom, kiselina može opsežnije komunicirati s materijalom, čime se omogućuje brže ispiranje. Autori su primijetili da se volumen pora u ultrazvučno obrađenim uzorcima povećao za jedan red veličine u usporedbi s onima obrađenim konvencionalno, stvarajući više puteva za kiselinu da otopi metalni sadržaj.
SEM slike za čestice u različitim vremenima konvencionalnog (a–c) i ultrazvučnog (d–f) ispiranja.
Slika i studija: © Canciani et al., 2024
Sonikatori za ispiranje u recikliranju baterija i urbanom rudarstvu.
Ultrazvučno ispiranje: poboljšana svojstva transporta i mikro miješanje
Studija također sugerira da ultrazvučna kavitacija ne samo da poboljšava površinski kontakt već i značajno poboljšava transportna svojstva. U biti, to znači da distribucija kiseline po česticama baterije postaje ravnomjernija, s mikro-miješanjem izazvanim kavitacijom koja osigurava ravnomjernu izloženost. To dovodi do homogenizirane reakcijske okoline, omogućujući kiselini da učinkovitije i ravnomjernije otapa metale.
Drugo značajno otkriće je da se prednosti ultrazvučne kavitacije protežu izvan smanjenja veličine čestica. Istraživači su otkrili da kavitacija mijenja mehanizam interakcije između kiseline i čestica, vjerojatno zbog poboljšanog transporta graničnog sloja. Jednostavno rečeno, kavitacija smanjuje debljinu tekućeg sloja koji okružuje svaku česticu, omogućujući brže otapanje metala.
Raspodjela veličine čestica nakon ultrazvučnog i konvencionalnog ispiranja
Slika i studija: © Canciani et al., 2024
Prednosti za urbano rudarenje i održivost
Učinkovitost sonikacije u recikliranju baterija ima ogroman potencijal za budućnost urbanog rudarstva i održivog oporavka resursa. Nalazi Cancianija i sur. (2024.) pokazuju da će ultrazvuk zamijeniti ili smanjiti oslanjanje na prakse štetne za okoliš:
- Smanjenje uporabe kemikalija: Ultrazvučno pojačano ispiranje omogućuje 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 je potrebno produljeno zagrijavanje, što smanjuje potrošnju energije i emisije.
- Povećanje oporabe materijala: Poboljšana površinska interakcija i povećana poroznost maksimiziraju stope obnavljanja vrijednih metala, čineći proces recikliranja ekonomski isplativim i ekološki prihvatljivim.
Širi utjecaj na industriju baterija
Kako se električna vozila i tehnologije obnovljivih izvora energije šire, potražnja za baterijama i, nadalje, metalima u njima, raste. Urbano rudarenje s recikliranjem poboljšanim sonikacijom nudi sredstva za održivu oporabu ovih metala, smanjujući opterećenje okoliša rudarenjem i nudeći pristup zatvorene petlje proizvodnji i odlaganju baterija.
Povećanje metoda recikliranja temeljenih na sonikaciji, optimiziranje kombinacija otapala i usavršavanje primjene ultrazvučnih valova dodatno će povećati učinkovitost. Hielscher Ultrasonics će rado preporučiti idealnu inline konfiguraciju sonikatora za vaš proces ispiranja. Kontaktirajte nas sada!
- visoka efikasnost
- Najnovija tehnologija
- pouzdanost & robusnost
- podesiva, precizna kontrola procesa
- serija & u redu
- za bilo koji volumen
- inteligentni softver
- pametne značajke (npr. programabilne, podatkovni protokol, daljinsko upravljanje)
- jednostavan i siguran za rukovanje
- slabo održavanje
- CIP (čišćenje na mjestu)
Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – Kvaliteta Proizvedeno u Njemačkoj
Hielscher ultrasonicators su poznati po svojim najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućuju glatku integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske objekte. Teški uvjeti i zahtjevna okruženja lako se nose s Hielscher ultrasonicators.
Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana tvrtka i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji sadrže najsuvremeniju tehnologiju i jednostavnu su za korištenje. Naravno, Hielscher ultrasonicators sukladni su CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | 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 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za aplikacije miješanja, disperziju, emulzifikaciju i ekstrakciju 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 postavljana pitanja
Što je proces ispiranja?
Proces ispiranja je metoda koja se koristi za izdvajanje vrijednih metala iz čvrstih materijala njihovim otapanjem u tekućem otapalu, obično kiseloj otopini. Ova tehnika razgrađuje krutu matricu, dopuštajući metalnim ionima da uđu u otopinu, iz koje se mogu dalje pročistiti i oporaviti. Ispiranje se naširoko primjenjuje u rudarstvu i recikliranju za dobivanje metala iz ruda i otpadnih materijala.
Koja je razlika između ekstrakcije i ispiranja?
I ekstrakcija i ispiranje odnose se na procese koji se koriste za odvajanje vrijednih tvari iz čvrstog materijala, ali se razlikuju u metodama i kontekstu. Ekstrakcija se općenito odnosi na širi raspon tehnika koje se koriste za uklanjanje određene tvari, često korištenjem otapala za njezino odvajanje od ostalih komponenti, a može uključivati različite fizičke, kemijske ili toplinske metode. Ispiranje je, s druge strane, specifična vrsta ekstrakcije koja uključuje otapanje metala ili drugih otopljenih tvari iz krutine u tekućinu, obično upotrebom kisele ili alkalne otopine. Ispiranje se obično koristi u procesima rudarstva, metalurgije i recikliranja. Dok se ekstrakcija može primijeniti na različite tvari, ispiranje posebno uključuje selektivno uklanjanje otopljenih tvari iz krutina pomoću tekućih otapala.
Koje su tipične tvari koje se koriste za ispiranje?
Tipične tvari koje se koriste za ispiranje uključuju **kiseline**, **alkalije** i **otapala** ovisno o materijalu koji se obrađuje. Uobičajeno korištena sredstva za ispiranje uključuju:
- kiseline:
- Sumporna kiselina: Često se koristi u ekstrakciji bakra, nikla i urana.
- Klorovodična kiselina: Koristi se za ispiranje metala poput bakra i zlata.
- Dušična kiselina: Obično se koristi za ispiranje plemenitih metala, posebno zlata i srebra.
- Octena kiselina: Ponekad se koristi u ekološki prihvatljivim ili organskim procesima ispiranja.
- Alkalije:
Natrijev hidroksid (kaustična soda): Koristi se u ekstrakciji glinice iz boksitne rude ili u ispiranju određenih metala poput zlata i cinka. - Otapala:
- Cijanid: Obično se koristi u rudarstvu zlata i srebra za ispiranje zlata iz rude (cijanizacija).
- Amonijak: Koristi se za ispiranje bakra i drugih osnovnih metala.
Ove tvari pomažu u otapanju određenih metala ili minerala iz ruda, otpadnih materijala ili drugih krutina, olakšavajući oporabu vrijednih materijala.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.