Izskalošana ar ultraskaņu pārveido akumulatoru pārstrādi un urbāno ieguvi
Nolietoti akumulatori un elektroniskie atkritumi satur daudz vērtīgu materiālu, piemēram, litiju, niķeli, mangānu un kobaltu, kas ir būtiski, lai apmierinātu augošo pieprasījumu atjaunīgās enerģijas un elektrotransportlīdzekļu nozarēs. Urbānā ieguve – šo metālu atgūšana no izmestiem akumulatoriem un citiem elektroniskajiem atkritumiem – ir daudzsološs ceļš uz aprites ekonomiku, samazinot nepieciešamību iegūt pirmreizējās izejvielas un līdz minimumam samazinot atkritumu daudzumu. Viena no galvenajām metodēm šajā jomā ir apstrāde ar ultraskaņu, kas ir parādījusi milzīgas priekšrocības metālu atgūšanas pakāpes paaugstināšanā, apstrādes laika saīsināšanā un ilgtspējas uzlabošanā.
Ultraskaņas apstrādes spēks akumulatoru pārstrādē un urbānajā ieguvē: būtisks pavērsiens ilgtspējīgā resursu atgūšanā
Nesenā Canciani un līdzautoru (2024) pētījumā aplūkota ultraskaņas kavitācijas – sīku triecienviļņu, ko rada augstas intensitātes ultraskaņas viļņi, – ietekme uz izskalošanas procesu akumulatoru pārstrādē. Viņu pētījums rāda, ka apstrāde ar ultraskaņu nav tikai neliels tradicionālās pārstrādes uzlabojums; tā būtiski maina pārstrādes procesa mijiedarbību ar akumulatoru materiālu, padarot procesu ātrāku, efektīvāku un mazāk atkarīgu no agresīvām ķīmiskām vielām.
Plašāk par pētījuma rezultātiem lasiet tālāk!
Ar ultraskaņu uzlabota izskalošana ar skābi norit divpadsmit reizes ātrāk nekā tradicionālā izskalošana ar skābi, pateicoties kavitācijas burbuļu plīšanas labvēlīgajai mehāniskajai iedarbībai virsmas tuvumā. Šī parādība uzlabo skābes šķīduma sajaukšanos, tādējādi uzlabojot pārneses īpašības.
Attēls un pētījums: © Canciani et al., 2024
Ultraskaņas apstrādes ierīce UIP16000hdT uzticami apstrādā lielus metālus saturošu atkritumu suspensiju apjomus, veicinot dārgmetālu un rūdu izskalošanu.
Kā apstrāde ar ultraskaņu darbojas akumulatoru pārstrādē
Tipiskā akumulatoru pārstrādes procesā katoda materiālus (kas satur vērtīgus metālus) izšķīdina skābā šķīdumā; šo procesu sauc par izskalošanu. Šī pieeja ļauj atdalīt un atgūt metālus no akumulatora cietās struktūras. Tomēr tradicionālā izskalošana ir laikietilpīga, un ievērojamas metālu atgūšanas pakāpes sasniegšanai bieži nepieciešamas vairākas stundas. Tai nepieciešamas arī stipras skābes un augsta temperatūra, kas rada bažas par ietekmi uz vidi.
Apstrāde ar ultraskaņu pārveido šo procesu, ievadot ultraskaņas viļņus tieši izskalošanas šķīdumā. Canciani un līdzautoru 2024. gadā publicētajā pētījumā pētnieki pārbaudīja šo metodi ar akumulatoru materiāla aizstājēju – litija kobalta niķeļa mangāna oksīdu (NMC). Izmantojot ultraskaņas viļņus ar noteiktu frekvenci un amplitūdu, viņi konstatēja, ka ultraskaņas kavitācija saīsina izskalošanas laiku par vairāk nekā 80%. Process, kam iepriekš bija vajadzīgas stundas, tagad aizņēma vien dažas minūtes, nodrošinot revolucionāru efektivitātes uzlabojumu.
Ultraskaņas apstrādes loma uzlabotā izskalošanā: masas pārneses un ātruma zinātniskais pamats
Apstrāde ar ultraskaņu ne tikai paātrina izskalošanu; tā maina veidu, kā skābais šķīdums mijiedarbojas ar akumulatoru daļiņām. Lieljaudas ultraskaņa rada miljoniem mikroskopisku burbuļu, kas šķīdumā strauji saplok; šo parādību sauc par kavitāciju. Šī darbība rada intensīvus lokālus spēkus, kas sašķeļ virsmas daļiņas un pastiprina mijiedarbību starp skābi un akumulatoru materiālā esošajiem metāliem.
Saskaņā ar Canciani un līdzautoru (2024) pētījumu šim procesam ir divas galvenās ietekmes uz akumulatoru materiāliem: tas palielina daļiņu porainību un samazina to izmēru, tādējādi ievērojami palielinot virsmas laukumu. Lielāks virsmas laukums ļauj skābei plašāk mijiedarboties ar materiālu, tādējādi veicinot ātrāku izskalošanu. Autori novēroja, ka ar ultraskaņu apstrādātos paraugos poru tilpums palielinājās par vienu lieluma kārtu salīdzinājumā ar tradicionāli apstrādātiem paraugiem, radot vairāk ceļu, pa kuriem skābe var piekļūt materiālā esošajiem metāliem un tos izšķīdināt.
Daļiņu SEM attēli dažādos tradicionālās (a–c) un ultraskaņas (d–f) izskalošanas laikos.
Attēls un pētījums: © Canciani et al., 2024
Ultraskaņas apstrādes ierīces izskalošanai akumulatoru pārstrādē un urbānajā ieguvē.
Izskalošana ar ultraskaņu: uzlabotas pārneses īpašības un mikrosajaukšana
Pētījums arī liecina, ka ultraskaņas kavitācija ne tikai uzlabo saskari ar virsmu, bet arī ievērojami uzlabo pārneses īpašības. Būtībā tas nozīmē, ka skābes sadalījums pa akumulatora materiāla daļiņām kļūst vienmērīgāks, jo kavitācijas izraisītā mikrosajaukšana nodrošina vienmērīgu skābes iedarbību. Tādējādi veidojas viendabīga reakcijas vide, kas ļauj skābei efektīvāk un vienmērīgāk šķīdināt metālus.
Vēl viens ievērības cienīgs atklājums ir tas, ka ultraskaņas kavitācijas priekšrocības neaprobežojas ar daļiņu izmēra samazināšanu. Pētnieki konstatēja, ka kavitācija maina skābes un daļiņu mijiedarbības mehānismu, visticamāk, uzlabotas pārneses robežslānī dēļ. Vienkārši izsakoties, kavitācija samazina šķidruma slāņa biezumu ap katru daļiņu, ļaujot metāliem izšķīst ātrāk.
Daļiņu izmēru sadalījumi pēc izskalošanas ar ultraskaņu un tradicionālās izskalošanas
Attēls un pētījums: © Canciani et al., 2024
Ieguvumi metālu atgūšanai no pilsētvides atkritumiem un ilgtspējībai
Apstrādes ar ultraskaņu efektivitāte akumulatoru pārstrādē sniedz milzīgu potenciālu metālu atgūšanai no pilsētvides atkritumiem un ilgtspējīgai resursu atgūšanai nākotnē. Canciani et al. (2024) atklājumi liecina, ka apstrāde ar ultraskaņu aizstās videi kaitīgas metodes vai samazinās atkarību no tām, nodrošinot:
- Ķīmisko vielu patēriņa samazināšanu: Ar ultraskaņu uzlabota izskalošana ļauj izmantot videi draudzīgākus šķīdinātājus, piemēram, etiķskābi, agresīvāku skābju vietā, kas parasti nepieciešamas tradicionālajai izskalošanai.
- Enerģijas vajadzību samazināšanu: Izmantojot apstrādi ar ultraskaņu, izskalošana notiek ātri istabas temperatūrā, un nav nepieciešama ilgstoša karsēšana, tādējādi samazinot enerģijas patēriņu un emisijas.
- Materiālu atgūšanas palielināšanu: Uzlabota mijiedarbība uz virsmas un palielināta porainība maksimāli palielina vērtīgo metālu atgūšanas pakāpi, padarot pārstrādes procesu ekonomiski dzīvotspējīgu un videi draudzīgu.
Plašāka ietekme uz akumulatoru nozari
Paplašinoties elektrotransportlīdzekļu un atjaunojamās enerģijas tehnoloģiju izmantošanai, strauji pieaug pieprasījums pēc akumulatoriem un līdz ar to arī pēc tajos esošajiem metāliem. Metālu atgūšana no pilsētvides atkritumiem, izmantojot ar ultraskaņu uzlabotu pārstrādi, ļauj šos metālus atgūt ilgtspējīgi, samazinot ieguves radīto slodzi uz vidi un piedāvājot slēgta cikla pieeju akumulatoru ražošanai un utilizācijai.
Uz apstrādi ar ultraskaņu balstītu pārstrādes metožu mērogošana, šķīdinātāju kombināciju optimizēšana un ultraskaņas viļņu pielietojuma pilnveidošana vēl vairāk palielinās efektivitāti. Hielscher Ultrasonics labprāt ieteiks jūsu izskalošanas procesam ideālu ultraskaņas ierīces konfigurāciju darbībai plūsmā. Sazinieties ar mums jau tagad!
- augsta efektivitāte
- vismodernākā tehnoloģija
- uzticamība un izturība
- regulējama, precīza procesa vadība
- apstrāde partijās un plūsmā
- jebkuram tilpumam
- vieda programmatūra
- viedās funkcijas (piemēram, programmējamība, datu reģistrēšana, tālvadība)
- vienkārša un droša ekspluatācija
- neliela apkopes nepieciešamība
- CIP (tīrīšana uz vietas)
Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte
Hielscher ultraskaņas ierīces ir plaši pazīstamas ar visaugstākajiem kvalitātes un konstrukcijas standartiem. Izturība un vienkārša ekspluatācija ļauj mūsu ultraskaņas ierīces viegli integrēt rūpnieciskajās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas ierīces viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.
Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas ierīcēm ar vismodernāko tehnoloģiju un lietotājam draudzīgu darbību. Protams, Hielscher ultraskaņas ierīces atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas ierīču aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 līdz 150L | 3 līdz 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lielāks | ierīču grupa UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanai, disperģēšanai, emulģēšanai un ekstrakcijai laboratorijas, pilotražošanas un rūpnieciskā mērogā.
Literatūra / Atsauces
- 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.
Bieži uzdotie jautājumi
Kas ir izskalošanas process?
Izskalošanas process ir metode, ko izmanto vērtīgu metālu iegūšanai no cietiem materiāliem, izšķīdinot tos šķidrā šķīdinātājā, parasti skābes šķīdumā. Šī metode noārda cieto matricu, ļaujot metālu joniem nonākt šķīdumā, no kura tos var tālāk attīrīt un atgūt. Izskalošanu plaši izmanto kalnrūpniecībā un pārstrādē, lai atgūtu metālus no rūdām un atkritummateriāliem.
Kāda ir atšķirība starp ekstrakciju un izskalošanu?
Gan ekstrakcija, gan izskalošana apzīmē procesus, ko izmanto vērtīgu vielu atdalīšanai no cieta materiāla, taču to metodes un izmantošanas konteksti atšķiras. Ekstrakcija parasti aptver plašāku metožu klāstu, ko izmanto konkrētas vielas izdalīšanai, bieži lietojot šķīdinātājus, lai to atdalītu no citām sastāvdaļām, un tā var ietvert dažādas fizikālas, ķīmiskas vai termiskas metodes. Savukārt izskalošana ir konkrēts ekstrakcijas veids, kurā metālus vai citas šķīstošas vielas no cietas vielas izšķīdina šķidrumā, parasti izmantojot skābu vai sārmainu šķīdumu. Izskalošanu parasti izmanto kalnrūpniecībā, metalurģijā un pārstrādes procesos. Lai gan ekstrakciju var piemērot dažādām vielām, izskalošana konkrēti ietver izšķīdušo vielu selektīvu atdalīšanu no cietām vielām, izmantojot šķidrus šķīdinātājus.
Kādas vielas parasti izmanto izskalošanai?
Izskalošanai parasti izmanto **skābes**, **sārmus** un **šķīdinātājus** atkarībā no apstrādājamā materiāla. Bieži izmantotie izskalošanas reaģenti ir:
- Skābes:
- Sērskābe: bieži izmanto vara, niķeļa un urāna ekstrakcijā.
- Sālsskābe: izmanto tādu metālu kā varš un zelts izskalošanai.
- Slāpekļskābe: parasti izmanto dārgmetālu, īpaši zelta un sudraba, izskalošanai.
- Etiķskābe: dažkārt izmanto videi draudzīgos vai uz organiskām vielām balstītos izskalošanas procesos.
- Sārmi:
Nātrija hidroksīds (kaustiskā soda): izmanto alumīnija oksīda ekstrakcijai no boksīta rūdas vai noteiktu metālu, piemēram, zelta un cinka, izskalošanai. - Šķīdinātāji:
- Cianīds: parasti izmanto zelta un sudraba ieguvē zelta izskalošanai no rūdas (cianidēšanai).
- Amonjaks: izmanto vara un citu parasto metālu izskalošanai.
Šīs vielas palīdz izšķīdināt konkrētus metālus vai minerālus no rūdām, atkritummateriāliem vai citām cietām vielām, atvieglojot vērtīgu materiālu atgūšanu.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no laboratorijas mēroga līdz rūpnieciskam mērogam.