Az ultrahangos kioldás átalakítja az akkumulátorok újrahasznosítását és a városi bányászatot
A használt akkumulátorok és az elektronikai hulladékok tele vannak olyan értékes anyagokkal, mint a lítium, a nikkel, a mangán és a kobalt, amelyek nélkülözhetetlenek a megújulóenergia-ágazat és az elektromos járművek ágazatának növekvő igényeihez. A városi bányászat – e fémek visszanyerése a kidobott akkumulátorokból és más elektronikai hulladékokból – ígéretes út a körforgásos gazdaság felé, mivel csökkenti az elsődleges nyersanyagok bányászatának szükségességét és minimálisra szorítja a hulladék mennyiségét. E terület egyik kulcsfontosságú technikája az ultrahangos kezelés, amely rendkívül jelentős előnyöket mutatott a fémek visszanyerési arányának növelésében, a feldolgozási idő csökkentésében és a fenntarthatóság javításában.
Az ultrahangos kezelés ereje az akkumulátorok újrahasznosításában és a városi bányászatban: áttörés a fenntartható erőforrás-visszanyerésben
Canciani és munkatársai (2024) egy nemrég megjelent tanulmányban vizsgálják az ultrahangos kavitáció – a nagy intenzitású ultrahanghullámok által létrehozott apró lökéshullámok – hatását az akkumulátorok újrahasznosításához alkalmazott kioldási folyamatra. Kutatásuk azt mutatja, hogy az ultrahangos kezelés nem csupán szerény javulást jelent a hagyományos újrahasznosításhoz képest; alapvetően megváltoztatja az újrahasznosítási folyamat és az akkumulátor anyaga közötti kölcsönhatást, gyorsabbá és hatékonyabbá téve a folyamatot, és csökkentve annak függőségét az agresszív vegyszerektől.
Olvasson tovább az alábbiakban a tanulmány eredményeiről!
Az ultrahanggal fokozott savas kioldás tizenkétszer gyorsabban megy végbe, mint a hagyományos savas kioldás, a felület közelében szétpattanó kavitációs buborékok kedvező mechanikai hatásának köszönhetően. Ez a jelenség javítja a savoldat keveredését, ezáltal javítva a transzporttulajdonságokat.
Kép és tanulmány: © Canciani et al., 2024
Az UIP16000hdT ultrahangos készülék megbízhatóan, nagy feldolgozási teljesítménnyel kezeli a fémtartalmú hulladékiszapokat, elősegítve a nemesfémek és ércek kioldását.
Hogyan működik az ultrahangos kezelés az akkumulátorok újrahasznosításában?
Az akkumulátorok szokásos újrahasznosítása során az értékes fémeket tartalmazó katódanyagokat savas oldatban oldják fel; ezt a folyamatot „kioldásnak” nevezik. Ez az eljárás lehetővé teszi a fémek elválasztását és visszanyerését az akkumulátor szilárd szerkezetéből. A hagyományos kioldás azonban időigényes, és a jelentős fémvisszanyerés elérése gyakran órákat vesz igénybe. Erős savakat és magas hőmérsékletet is igényel, ami aggályokat vet fel a környezeti hatásokkal kapcsolatban.
Az ultrahangos kezelés azáltal alakítja át ezt a folyamatot, hogy az ultrahanghullámokat közvetlenül a kioldóoldatba juttatja. Canciani és munkatársai 2024-ben megjelent tanulmányában a kutatók ezt a technikát egy akkumulátoranyagot helyettesítő anyagon, lítium-kobalt-nikkel-mangán-oxidon (NMC) tesztelték. Meghatározott frekvenciájú és amplitúdójú ultrahanghullámokat alkalmazva azt találták, hogy az ultrahangos kavitáció több mint 80%-kal csökkenti a kioldási időt. A korábban órákat igénylő folyamat néhány perc alatt lezajlott, ami forradalmi javulást jelent a hatékonyságban.
Az ultrahangos kezelés szerepe a fokozott kioldásban: az anyagátadás és a sebesség tudományos háttere
Az ultrahangos kezelés nem csupán felgyorsítja a kioldást; megváltoztatja a savas oldat és az akkumulátorrészecskék közötti kölcsönhatást. A nagy teljesítményű ultrahang mikroszkopikus buborékok millióit hozza létre, amelyek gyorsan összeomlanak az oldatban; ezt a jelenséget kavitációnak nevezik. Ez a hatás intenzív helyi erőket hoz létre, amelyek széttörik a felületi részecskéket, és fokozzák a sav és az akkumulátor anyagában található fémek közötti kölcsönhatást.
Canciani és munkatársai (2024) szerint ez a folyamat két elsődleges hatást gyakorol az akkumulátoranyagokra: növeli a részecskék porozitását és csökkenti a méretüket, ami a felület drámai növekedéséhez vezet. A nagyobb felületnek köszönhetően a sav kiterjedtebb kölcsönhatásba léphet az anyaggal, ezáltal elősegítve a gyorsabb kioldást. A szerzők megfigyelték, hogy az ultrahanggal kezelt minták pórustérfogata egy nagyságrenddel nőtt a hagyományosan feldolgozott mintákéhoz képest, így több útvonal jött létre a sav számára a fémtartalom feloldásához.
A részecskék SEM-felvételei a hagyományos (a–c) és az ultrahangos (d–f) kioldás különböző időpontjaiban.
Kép és tanulmány: © Canciani et al., 2024
Ultrahangos készülékek az akkumulátorok újrahasznosítása és a városi bányászat során végzett kioldáshoz.
Ultrahangos kioldás: javított transzporttulajdonságok és mikrokeveredés
A tanulmány arra is utal, hogy az ultrahangos kavitáció nemcsak a felületi érintkezést fokozza, hanem a transzporttulajdonságokat is jelentősen javítja. Ez lényegében azt jelenti, hogy a sav eloszlása az akkumulátorrészecskéken egyenletesebbé válik, miközben a kavitáció által kiváltott mikrokeveredés biztosítja, hogy a sav mindenütt egyenletesen fejtse ki hatását. Ez homogenizált reakciókörnyezetet eredményez, amely lehetővé teszi a sav számára a fémek hatékonyabb és egyenletesebb feloldását.
Egy másik figyelemre méltó eredmény, hogy az ultrahangos kavitáció előnyei túlmutatnak a részecskeméret csökkentésén. A kutatók azt találták, hogy a kavitáció megváltoztatja a sav és a részecskék közötti kölcsönhatás mechanizmusát, valószínűleg a határrétegen keresztüli transzport javulása miatt. Egyszerűen fogalmazva, a kavitáció csökkenti az egyes részecskéket körülvevő folyadékréteg vastagságát, ami lehetővé teszi a fémek gyorsabb oldódását.
Részecskeméret-eloszlások ultrahangos és hagyományos kioldás után
Kép és tanulmány: © Canciani et al., 2024
Előnyök a városi bányászat és a fenntarthatóság szempontjából
Az ultrahangos kezelés hatékonysága az akkumulátorok újrahasznosításában óriási lehetőségeket rejt a városi bányászat és a fenntartható erőforrás-visszanyerés jövője számára. Canciani és munkatársai (2024) eredményei arra utalnak, hogy az ultrahangos kezelés az alábbiak révén felváltja a környezetkárosító gyakorlatokat, vagy csökkenti az azoktól való függőséget:
- A vegyszerfelhasználás csökkentése: Az ultrahanggal fokozott kioldás lehetővé teszi környezetkímélőbb oldószerek, például ecetsav használatát a hagyományos kioldáshoz jellemzően szükséges agresszívebb savak helyett.
- Az energiaigény csökkentése: Ultrahangos kezelés mellett a kioldás szobahőmérsékleten gyorsan végbemegy, és nem igényel hosszan tartó melegítést, ami csökkenti az energiafogyasztást és a kibocsátásokat.
- Az anyagvisszanyerés növelése: A jobb felületi kölcsönhatás és a fokozott porozitás maximalizálja az értékes fémek visszanyerési arányát, gazdaságilag életképessé és környezetbaráttá téve az újrahasznosítási folyamatot.
Szélesebb körű hatás az akkumulátoriparra
Az elektromos járművek és a megújulóenergia-technológiák terjedésével rohamosan nő az akkumulátorok és ezáltal a bennük található fémek iránti kereslet. Az ultrahangos kezeléssel fokozott újrahasznosítást alkalmazó városi bányászat lehetőséget kínál e fémek fenntartható visszanyerésére, csökkentve a bányászat környezeti terhelését, és zárt körfolyamaton alapuló megközelítést biztosítva az akkumulátorok gyártásához és hulladékkezeléséhez.
Az ultrahangos kezelésen alapuló újrahasznosítási módszerek nagyobb léptékű alkalmazása, az oldószer-kombinációk optimalizálása és az ultrahanghullámok alkalmazásának finomítása tovább növeli a hatékonyságot. A Hielscher Ultrasonics örömmel ajánlja az Ön kioldási folyamatához ideális, átfolyásos üzemű ultrahangos készülékkonfigurációt. Lépjen kapcsolatba velünk most!
- nagy hatékonyság
- a legkorszerűbb technológia
- megbízhatóság és robusztusság
- állítható, precíz folyamatszabályozás
- szakaszos és átfolyásos üzem
- bármilyen térfogathoz
- intelligens szoftver
- intelligens funkciók (pl. programozhatóság, adatnaplózás, távvezérlés)
- egyszerű és biztonságos kezelés
- csekély karbantartási igény
- CIP (helyben történő tisztítás)
Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség
A Hielscher ultrahangos készülékei a legmagasabb minőségi és tervezési színvonalukról ismertek. A robusztusság és az egyszerű kezelés lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását az ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos készülékei könnyedén megbirkóznak a zord körülményekkel és az igényes környezetekkel.
A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, és különös hangsúlyt fektet a legkorszerűbb technológiát és felhasználóbarát működést kínáló, nagy teljesítményű ultrahangos készülékekre. Természetesen a Hielscher ultrahangos készülékei megfelelnek a CE-előírásoknak, valamint az UL, a CSA és a RoHs követelményeinek.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:
| Adagtérfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | csoportba rendezett UIP16000 |
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési alkalmazásokhoz, diszpergáláshoz, emulgeáláshoz és extrakcióhoz laboratóriumi, kísérleti üzemi és ipari léptékben.
Szakirodalom / Hivatkozások
- 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.
Gyakran ismételt kérdések
Mi a kioldási folyamat?
A kioldási folyamat olyan módszer, amellyel értékes fémeket nyernek ki szilárd anyagokból úgy, hogy folyékony oldószerben, jellemzően savas oldatban feloldják őket. Ez a technika megbontja a szilárd mátrixot, lehetővé téve, hogy a fémionok az oldatba kerüljenek, amelyből tovább tisztíthatók és visszanyerhetők. A kioldást széles körben alkalmazzák a bányászatban és az újrahasznosításban fémek ércekből és hulladékanyagokból történő visszanyerésére.
Mi a különbség az extrakció és a kioldás között?
Az extrakció és a kioldás egyaránt olyan folyamatokat jelöl, amelyekkel értékes anyagokat választanak el egy szilárd anyagból, de módszereik és alkalmazási környezetük különböznek. Az extrakció általában egy adott anyag eltávolítására szolgáló technikák tágabb körét jelenti, amelyek gyakran oldószereket használnak az anyag más összetevőktől való elválasztásához, és különféle fizikai, kémiai vagy termikus módszereket foglalhatnak magukban. A kioldás ezzel szemben az extrakció egy sajátos típusa, amelynek során fémeket vagy más oldható anyagokat oldanak ki szilárd anyagból folyadékba, jellemzően savas vagy lúgos oldat alkalmazásával. A kioldást gyakran alkalmazzák bányászati, kohászati és újrahasznosítási folyamatokban. Míg az extrakció különféle anyagokra alkalmazható, a kioldás kifejezetten az oldott anyagok szilárd anyagokból történő szelektív eltávolítását jelenti folyékony oldószerek segítségével.
Milyen anyagokat használnak jellemzően kioldáshoz?
A kioldáshoz jellemzően használt anyagok közé tartoznak a **savak**, a **lúgok** és az **oldószerek**, a feldolgozott anyagtól függően. A gyakran használt kioldószerek a következők:
- Savak:
- Kénsav: gyakran használják réz, nikkel és urán kinyerésére.
- Sósav: olyan fémek kioldására használják, mint a réz és az arany.
- Salétromsav: jellemzően nemesfémek, különösen arany és ezüst kioldására használják.
- Ecetsav: időnként környezetbarát vagy szerves alapú kioldási folyamatokban használják.
- Lúgok:
Nátrium-hidroxid (marónátron): alumínium-oxid bauxitércből történő kinyerésére vagy bizonyos fémek, például arany és cink kioldására használják. - Oldószerek:
- Cianid: az arany- és ezüstbányászatban gyakran használják arany ércből történő kioldására (cianidos kioldás).
- Ammónia: réz és más nem nemes fémek kioldására használják.
Ezek az anyagok segítenek meghatározott fémek vagy ásványok feloldásában ércekből, hulladékanyagokból vagy más szilárd anyagokból, elősegítve az értékes anyagok visszanyerését.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt laboratóriumi mérettől ipari méretig.