La lisciviazione ad ultrasuoni trasforma il riciclaggio delle batterie e l'estrazione urbana
Le batterie usate e i rifiuti elettronici contengono materiali preziosi come litio, nichel, manganese e cobalto, essenziali per la crescente domanda nei settori delle energie rinnovabili e dei veicoli elettrici. L'urban mining - il processo di recupero di questi metalli dalle batterie usate e da altri rifiuti elettronici - è una strada promettente verso un'economia circolare, che riduce la necessità di estrazioni vergini e minimizza i rifiuti. Una tecnica chiave in questo campo è la sonicazione, che ha dimostrato enormi vantaggi nel migliorare i tassi di recupero dei metalli, ridurre i tempi di lavorazione e migliorare la sostenibilità.
Il potere della sonicazione nel riciclaggio delle batterie e nell'estrazione urbana: Una svolta per il recupero sostenibile delle risorse
Un recente studio di Canciani et al. (2024) esplora gli effetti della cavitazione ultrasonica - piccole onde d'urto create da ultrasuoni ad alta intensità - sul processo di lisciviazione per il riciclaggio delle batterie. La ricerca dimostra che la sonicazione non è solo un modesto miglioramento rispetto al riciclaggio tradizionale, ma cambia radicalmente il modo in cui il processo di riciclaggio interagisce con il materiale delle batterie, rendendolo più veloce, più efficiente e meno dipendente da sostanze chimiche aggressive.
Per saperne di più sui risultati dello studio, leggete qui sotto!
La lisciviazione acida potenziata con ultrasuoni opera a una velocità dodici volte superiore rispetto alla lisciviazione acida convenzionale, grazie alla benefica azione meccanica delle bolle di cavitazione che scoppiano in prossimità della superficie. Questo fenomeno migliora la miscelazione della soluzione acida, migliorando le proprietà di trasporto.
Immagine e studio: © Canciani et al., 2024
Il Sonicator UIP16000hdT tratta in modo affidabile grandi quantità di fanghi di scarto contenenti metalli, facilitando la lisciviazione di metalli e minerali preziosi.
Come funziona la sonicazione nel riciclaggio delle batterie
Nel tipico riciclaggio delle batterie, i materiali del catodo (che contengono metalli preziosi) vengono disciolti in una soluzione acida, un processo denominato “lisciviazione.” Questo approccio consente di separare e recuperare i metalli dalla struttura solida della batteria. Tuttavia, la lisciviazione convenzionale richiede molto tempo, spesso ore per ottenere un recupero significativo dei metalli. Inoltre, richiede acidi forti e temperature elevate, sollevando preoccupazioni sull'impatto ambientale.
La sonicazione trasforma questo processo aggiungendo onde ultrasoniche direttamente nella soluzione di lisciviazione. Nello studio pubblicato nel 2024 da Canciani et al. i ricercatori hanno testato questa tecnica con un materiale surrogato della batteria, l'ossido di litio cobalto nichel manganese (NMC). Applicando onde ultrasoniche a una frequenza e un'ampiezza specifiche, hanno scoperto che la cavitazione ultrasonica riduce il tempo di lisciviazione di oltre l'80%. Il processo è passato da ore a pochi minuti, offrendo un miglioramento rivoluzionario dell'efficienza.
Il ruolo della sonicazione nel miglioramento della lisciviazione: la scienza dietro il trasferimento di massa e la velocità
La sonicazione non si limita ad accelerare la lisciviazione, ma modifica il modo in cui la soluzione acida interagisce con le particelle della batteria. Gli ultrasuoni ad alta potenza creano milioni di bolle microscopiche che collassano rapidamente nella soluzione, un fenomeno noto come cavitazione. Questa azione genera intense forze locali che rompono le particelle superficiali e aumentano l'interazione tra l'acido e i metalli all'interno del materiale della batteria.
Secondo Canciani et al. (2024), questo processo ha due effetti primari sui materiali della batteria: aumenta la porosità delle particelle e ne riduce le dimensioni, portando a un drastico aumento dell'area superficiale. Con un'area superficiale più ampia, l'acido può interagire più estesamente con il materiale, facilitando così una lisciviazione più rapida. Gli autori hanno osservato che il volume dei pori nei campioni sonicati è aumentato di un ordine di grandezza rispetto a quelli trattati in modo convenzionale, creando più percorsi per l'acido per dissolvere il metallo contenuto.
Immagini SEM delle particelle a diversi tempi di lisciviazione convenzionale (a-c) e ultrasonica (d-f).
Immagine e studio: © Canciani et al., 2024
Sonicatori per la lisciviazione nel riciclaggio delle batterie e nelle miniere urbane.
Lisciviazione ad ultrasuoni: miglioramento delle proprietà di trasporto e della micro-miscelazione
Lo studio suggerisce inoltre che la cavitazione a ultrasuoni non solo aumenta il contatto con la superficie, ma migliora anche in modo significativo le proprietà di trasporto. In sostanza, ciò significa che la distribuzione dell'acido tra le particelle della batteria diventa più uniforme, con una micro-miscelazione indotta dalla cavitazione che garantisce un'esposizione uniforme. Questo porta a un ambiente di reazione omogeneo, che consente all'acido di sciogliere i metalli in modo più efficace e uniforme.
Un'altra scoperta degna di nota è che i benefici della cavitazione a ultrasuoni vanno oltre la riduzione delle dimensioni delle particelle. I ricercatori hanno scoperto che la cavitazione modifica il meccanismo di interazione tra l'acido e le particelle, probabilmente grazie al miglioramento del trasporto dello strato limite. In parole povere, la cavitazione riduce lo spessore dello strato liquido che circonda ogni particella, consentendo una più rapida dissoluzione del metallo.
Distribuzioni granulometriche dopo la lisciviazione ad ultrasuoni e convenzionale
Immagine e studio: © Canciani et al., 2024
Vantaggi per l'estrazione e la sostenibilità urbana
L'efficacia della sonicazione nel riciclaggio delle batterie ha un enorme potenziale per il futuro dell'estrazione urbana e del recupero sostenibile delle risorse. I risultati di Canciani et al. (2024) indicano che la sonicazione sostituirà o ridurrà il ricorso a pratiche dannose per l'ambiente:
- Riduzione dell'uso di sostanze chimiche: La lisciviazione potenziata a ultrasuoni consente di utilizzare solventi più ecologici, come l'acido acetico, anziché gli acidi più duri tipicamente necessari per la lisciviazione convenzionale.
- Riduzione del fabbisogno energetico: Con la sonicazione, la lisciviazione avviene rapidamente a temperatura ambiente anziché richiedere un riscaldamento prolungato, riducendo così il consumo energetico e le emissioni.
- Aumentare il recupero dei materiali: Una migliore interazione superficiale e una maggiore porosità massimizzano i tassi di recupero dei metalli preziosi, rendendo il processo di riciclaggio economicamente vantaggioso e rispettoso dell'ambiente.
Impatto più ampio sul settore delle batterie
Con l'espansione dei veicoli elettrici e delle tecnologie di energia rinnovabile, la domanda di batterie e, di conseguenza, dei metalli in esse contenuti, è in aumento. L'estrazione urbana con riciclo sonicato offre un mezzo per recuperare questi metalli in modo sostenibile, riducendo l'onere ambientale dell'estrazione e offrendo un approccio a ciclo chiuso alla produzione e allo smaltimento delle batterie.
L'aumento di scala dei metodi di riciclaggio basati sulla sonicazione, l'ottimizzazione delle combinazioni di solventi e il perfezionamento dell'applicazione delle onde ultrasoniche aumenteranno ulteriormente l'efficienza. Hielscher Ultrasonics sarà lieta di consigliarvi la configurazione in linea del sonicatore ideale per il vostro processo di lisciviazione. Contattateci subito!
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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdT |
| Da 15 a 150L | Da 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.
Letteratura / Riferimenti
- 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.
Domande frequenti
Che cos'è il processo di lisciviazione?
Il processo di lisciviazione è un metodo utilizzato per estrarre metalli preziosi da materiali solidi dissolvendoli in un solvente liquido, in genere una soluzione acida. Questa tecnica rompe la matrice solida, permettendo agli ioni metallici di entrare nella soluzione, dalla quale possono essere ulteriormente purificati e recuperati. La lisciviazione è ampiamente applicata nel settore minerario e del riciclaggio per recuperare i metalli dai minerali e dai materiali di scarto.
Qual è la differenza tra estrazione e lisciviazione?
L'estrazione e la lisciviazione si riferiscono entrambe a processi utilizzati per separare sostanze preziose da un materiale solido, ma si differenziano per metodi e contesti. L'estrazione si riferisce generalmente a una gamma più ampia di tecniche utilizzate per rimuovere una sostanza specifica, spesso utilizzando solventi per separarla da altri componenti, e può coinvolgere vari metodi fisici, chimici o termici. La lisciviazione, invece, è un tipo specifico di estrazione che prevede la dissoluzione di metalli o altri soluti da un solido in un liquido, in genere attraverso l'uso di una soluzione acida o alcalina. La lisciviazione è comunemente utilizzata nei processi di estrazione, metallurgia e riciclaggio. Mentre l'estrazione può essere applicata a una varietà di sostanze, la lisciviazione riguarda specificamente la rimozione selettiva di sostanze disciolte da solidi utilizzando solventi liquidi.
Quali sono le sostanze tipiche utilizzate per la lisciviazione?
Le sostanze tipicamente utilizzate per la lisciviazione comprendono **acidi**, **alcali** e **solventi**, a seconda del materiale da trattare. Gli agenti di lisciviazione comunemente utilizzati includono:
- Acidi:
- Acido solforico: Spesso utilizzato per l'estrazione di rame, nichel e uranio.
- Acido cloridrico: Utilizzato per la lisciviazione di metalli come il rame e l'oro.
- Acido nitrico: Tipicamente utilizzato nella lisciviazione dei metalli preziosi, soprattutto oro e argento.
- Acido acetico: Talvolta utilizzato nei processi di lisciviazione ecologici o a base organica.
- Alcalini:
Idrossido di sodio (soda caustica): Utilizzato per l'estrazione dell'allumina dalla bauxite o per la lisciviazione di alcuni metalli come l'oro e lo zinco. - Solventi:
- Cianuro: Comunemente utilizzato nelle miniere d'oro e d'argento per la lisciviazione dell'oro dal minerale (cianurazione).
- Ammoniaca: Utilizzata per la lisciviazione del rame e di altri metalli comuni.
Queste sostanze aiutano a dissolvere metalli o minerali specifici da minerali, materiali di scarto o altri solidi, facilitando il recupero di materiali preziosi.
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