Ługowanie ultradźwiękowe przekształca recykling baterii i górnictwo miejskie
Zużyte baterie i odpady elektroniczne są wypełnione cennymi materiałami, takimi jak lit, nikiel, mangan i kobalt, niezbędnymi dla rosnącego popytu w sektorach energii odnawialnej i pojazdów elektrycznych. Górnictwo miejskie - proces odzyskiwania tych metali z wyrzuconych baterii i innych odpadów elektronicznych - jest obiecującą drogą do gospodarki o obiegu zamkniętym, zmniejszając zapotrzebowanie na pierwotne wydobycie i minimalizując ilość odpadów. Kluczową techniką w tej dziedzinie jest sonikacja, która wykazała ogromne korzyści w zwiększaniu współczynników odzysku metali, skracaniu czasu przetwarzania i poprawie zrównoważonego rozwoju.
Siła sonikacji w recyklingu baterii i górnictwie miejskim: Zmiana zasad gry dla zrównoważonego odzyskiwania zasobów
Ostatnie badanie przeprowadzone przez Canciani et al. (2024) bada wpływ kawitacji ultradźwiękowej - drobnych fal uderzeniowych wytwarzanych przez fale ultradźwiękowe o wysokim natężeniu - na proces ługowania w recyklingu baterii. Ich badania pokazują, że sonikacja to nie tylko skromna poprawa w stosunku do tradycyjnego recyklingu; zasadniczo zmienia sposób, w jaki proces recyklingu oddziałuje z materiałem baterii, czyniąc go szybszym, bardziej wydajnym i mniej zależnym od agresywnych chemikaliów.
Przeczytaj więcej o wynikach badania poniżej!
Ultradźwiękowo wzmocnione ługowanie kwasem działa w tempie dwanaście razy szybszym niż konwencjonalne ługowanie kwasem, ze względu na korzystne mechaniczne działanie pęcherzyków kawitacyjnych pękających w pobliżu powierzchni. Zjawisko to poprawia mieszanie roztworu kwasu, zwiększając tym samym właściwości transportowe.
Zdjęcie i opracowanie: © Canciani et al., 2024
Sonicator UIP16000hdT niezawodnie przetwarza duże ilości szlamów odpadowych zawierających metale, ułatwiając ługowanie metali szlachetnych i rud.
Jak działa sonikacja w recyklingu akumulatorów
W typowym procesie recyklingu baterii, materiały katodowe (zawierające cenne metale) są rozpuszczane w kwaśnym roztworze, w procesie zwanym “ługowanie.” Takie podejście pozwala na oddzielenie i odzyskanie metali ze stałej struktury akumulatora. Jednak konwencjonalne ługowanie jest czasochłonne i często zajmuje wiele godzin, aby osiągnąć znaczący odzysk metalu. Wymaga również silnych kwasów i wysokich temperatur, co budzi obawy o wpływ na środowisko.
Sonikacja przekształca ten proces, dodając fale ultradźwiękowe bezpośrednio do roztworu ługującego. W opublikowanym w 2024 r. badaniu Canciani i in. naukowcy przetestowali tę technikę z zastępczym materiałem baterii, tlenkiem litowo-kobaltowo-niklowo-manganowym (NMC). Stosując fale ultradźwiękowe o określonej częstotliwości i amplitudzie, odkryli, że kawitacja ultradźwiękowa skraca czas ługowania o ponad 80%. Proces trwał od kilku godzin do kilku minut, oferując rewolucyjną poprawę wydajności.
Rola sonikacji we wzmocnionym wymywaniu: nauka o transferze masy i prędkości
Sonikacja nie tylko przyspiesza wymywanie; zmienia ona sposób, w jaki kwaśny roztwór oddziałuje z cząsteczkami baterii. Ultradźwięki o dużej mocy tworzą miliony mikroskopijnych pęcherzyków, które szybko zapadają się w roztworze, zjawisko znane jako kawitacja. Działanie to generuje intensywne siły lokalne, które rozbijają cząsteczki powierzchniowe i zwiększają interakcję między kwasem a metalami w materiale akumulatora.
Według Canciani et al. (2024), proces ten ma dwa podstawowe skutki dla materiałów akumulatorowych: zwiększa porowatość cząstek i zmniejsza ich rozmiar, co prowadzi do dramatycznego wzrostu powierzchni. Przy większej powierzchni kwas może intensywniej oddziaływać z materiałem, ułatwiając w ten sposób szybsze wymywanie. Autorzy zaobserwowali, że objętość porów w sonikowanych próbkach wzrosła o rząd wielkości w porównaniu do tych przetwarzanych konwencjonalnie, tworząc więcej ścieżek dla kwasu do rozpuszczania zawartości metalu.
Obrazy SEM cząstek w różnym czasie ługowania konwencjonalnego (a-c) i ultradźwiękowego (d-f).
Zdjęcie i opracowanie: © Canciani et al., 2024
Sonikatory do ługowania w recyklingu akumulatorów i górnictwie miejskim.
Ługowanie ultradźwiękowe: ulepszone właściwości transportowe i mikromieszanie
Badanie sugeruje również, że kawitacja ultradźwiękowa nie tylko poprawia kontakt powierzchniowy, ale także znacznie poprawia właściwości transportowe. Zasadniczo oznacza to, że rozkład kwasu na cząstkach akumulatora staje się bardziej jednolity, a wywołane kawitacją mikromieszanie zapewnia równomierną ekspozycję. Prowadzi to do homogenizacji środowiska reakcji, umożliwiając kwasowi skuteczniejsze i bardziej równomierne rozpuszczanie metali.
Innym ważnym odkryciem jest to, że korzyści płynące z kawitacji ultradźwiękowej wykraczają poza redukcję wielkości cząstek. Naukowcy odkryli, że kawitacja zmienia mechanizm interakcji między kwasem a cząstkami, prawdopodobnie ze względu na lepszy transport warstwy granicznej. Mówiąc prościej, kawitacja zmniejsza grubość warstwy cieczy otaczającej każdą cząstkę, umożliwiając szybsze rozpuszczanie metalu.
Rozkłady wielkości cząstek po ługowaniu ultradźwiękowym i konwencjonalnym
Zdjęcie i opracowanie: © Canciani et al., 2024
Korzyści dla górnictwa miejskiego i zrównoważonego rozwoju
Skuteczność sonikacji w recyklingu baterii ma ogromny potencjał dla przyszłości górnictwa miejskiego i zrównoważonego odzyskiwania zasobów. Ustalenia Canciani et al. (2024) wskazują, że sonikacja zastąpi lub zmniejszy zależność od szkodliwych dla środowiska praktyk poprzez:
- Ograniczenie stosowania środków chemicznych: Ultradźwiękowo wzmocnione ługowanie pozwala na stosowanie bardziej ekologicznych rozpuszczalników, takich jak kwas octowy, zamiast ostrzejszych kwasów zwykle potrzebnych do konwencjonalnego ługowania.
- Obniżenie wymagań energetycznych: Dzięki sonikacji ługowanie zachodzi szybko w temperaturze pokojowej, a nie wymaga długotrwałego ogrzewania, co zmniejsza zużycie energii i emisje.
- Zwiększenie odzysku materiałów: Ulepszona interakcja powierzchniowa i zwiększona porowatość maksymalizują wskaźniki odzysku cennych metali, czyniąc proces recyklingu opłacalnym ekonomicznie i przyjaznym dla środowiska.
Szerszy wpływ na branżę akumulatorów
Wraz z rozwojem pojazdów elektrycznych i technologii energii odnawialnej rośnie zapotrzebowanie na baterie, a co za tym idzie, na metale w nich zawarte. Górnictwo miejskie z recyklingiem wspomaganym sonikacją oferuje środki do odzyskiwania tych metali w sposób zrównoważony, zmniejszając obciążenie środowiska wydobyciem i oferując podejście do produkcji i utylizacji baterii w obiegu zamkniętym.
Skalowanie metod recyklingu opartych na sonikacji, optymalizacja kombinacji rozpuszczalników i udoskonalenie zastosowania fal ultradźwiękowych jeszcze bardziej zwiększy wydajność. Hielscher Ultrasonics chętnie poleci idealną konfigurację sonikatora inline dla procesu ługowania. Skontaktuj się z nami już teraz!
- wysoka wydajność
- najnowocześniejsza technologia
- niezawodność & solidność
- regulowana, precyzyjna kontrola procesu
- partia & inline
- dla dowolnego wolumenu
- inteligentne oprogramowanie
- inteligentne funkcje (np. programowalne, protokołowanie danych, zdalne sterowanie)
- Łatwa i bezpieczna obsługa
- niskie koszty utrzymania
- CIP (clean-in-place)
Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany
Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.
Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150 l | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspersji, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.
Literatura / Referencje
- 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.
często zadawane pytania
Na czym polega proces ługowania?
Proces ługowania to metoda stosowana do ekstrakcji cennych metali z materiałów stałych poprzez rozpuszczenie ich w ciekłym rozpuszczalniku, zazwyczaj kwaśnym roztworze. Technika ta rozbija stałą matrycę, umożliwiając jonom metali przedostanie się do roztworu, z którego mogą być dalej oczyszczane i odzyskiwane. Ługowanie jest szeroko stosowane w górnictwie i recyklingu do odzyskiwania metali z rud i materiałów odpadowych.
Jaka jest różnica między ekstrakcją a ługowaniem?
Zarówno ekstrakcja, jak i ługowanie odnoszą się do procesów stosowanych do oddzielania cennych substancji od materiału stałego, ale różnią się metodami i kontekstami. Ekstrakcja ogólnie odnosi się do szerszego zakresu technik stosowanych do usuwania określonej substancji, często przy użyciu rozpuszczalników w celu oddzielenia jej od innych składników i może obejmować różne metody fizyczne, chemiczne lub termiczne. Z drugiej strony, ługowanie jest specyficznym rodzajem ekstrakcji, który obejmuje rozpuszczanie metali lub innych substancji rozpuszczonych z ciała stałego w cieczy, zazwyczaj przy użyciu roztworu kwaśnego lub zasadowego. Ługowanie jest powszechnie stosowane w górnictwie, metalurgii i procesach recyklingu. Podczas gdy ekstrakcja może mieć zastosowanie do różnych substancji, ługowanie obejmuje w szczególności selektywne usuwanie rozpuszczonych substancji z ciał stałych za pomocą ciekłych rozpuszczalników.
Jakie są typowe substancje używane do ługowania?
Typowe substancje stosowane do ługowania obejmują **kwasy**, **alkalia** i **rozpuszczalniki** w zależności od przetwarzanego materiału. Powszechnie stosowane środki ługujące obejmują:
- Kwasy:
- Kwas siarkowy: Często stosowany w ekstrakcji miedzi, niklu i uranu.
- Kwas solny: Używany do ługowania metali takich jak miedź i złoto.
- Kwas azotowy: Zazwyczaj stosowany do ługowania metali szlachetnych, zwłaszcza złota i srebra.
- Kwas octowy: Czasami stosowany w przyjaznych dla środowiska lub organicznych procesach ługowania.
- Alkalia:
Wodorotlenek sodu (soda kaustyczna): Używany do ekstrakcji tlenku glinu z rudy boksytu lub do ługowania niektórych metali, takich jak złoto i cynk. - Rozpuszczalniki:
- Cyjanek: Powszechnie stosowany w górnictwie złota i srebra do ługowania złota z rudy (cyjanizacja).
- Amoniak: Używany do ługowania miedzi i innych metali nieszlachetnych.
Substancje te pomagają rozpuszczać określone metale lub minerały z rud, odpadów lub innych ciał stałych, ułatwiając odzyskiwanie cennych materiałów.
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do rozmiar przemysłowy.