Ultrazvočno izluževanje preobraža recikliranje baterij in urbano rudarjenje

Izrabljene baterije in elektronski odpadki vsebujejo veliko dragocenih materialov, kot so litij, nikelj, mangan in kobalt, ki so bistveni za zadovoljevanje naraščajočega povpraševanja v sektorjih obnovljive energije in električnih vozil. Urbano rudarjenje – postopek pridobivanja teh kovin iz zavrženih baterij in drugih elektronskih odpadkov – je obetavna pot do krožnega gospodarstva, saj zmanjšuje potrebo po pridobivanju primarnih surovin z rudarjenjem in količino odpadkov. Ključna tehnika na tem področju je sonikacija, ki je pokazala izjemne prednosti pri povečanju izkoristka pridobivanja kovin, skrajšanju časa obdelave in izboljšanju trajnostnosti.

Moč sonikacije pri recikliranju baterij in urbanem rudarjenju: prelomnica pri trajnostnem pridobivanju virov

Nedavna študija avtorjev Canciani et al. (2024) raziskuje učinke ultrazvočne kavitacije – drobnih udarnih valov, ki jih ustvarjajo ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti – na postopek izluževanja pri recikliranju baterij. Njihova raziskava kaže, da sonikacija ni zgolj skromna izboljšava tradicionalnega recikliranja; temeljito spreminja način, kako postopek recikliranja deluje na baterijski material, zaradi česar je hitrejši, učinkovitejši in manj odvisen od agresivnih kemikalij.
Več o ugotovitvah študije preberite spodaj!

Ultrazvočno intenzivirano kislinsko izluževanje poteka dvanajstkrat hitreje kot konvencionalno kislinsko izluževanje zaradi ugodnega mehanskega delovanja kavitacijskih mehurčkov, ki počijo v bližini površine. Ta pojav izboljša mešanje kislinske raztopine in s tem transportne lastnosti.
Slika in študija: © Canciani et al., 2024

Sonikacija preobraža recikliranje baterij in urbano rudarjenje za trajnostno pridobivanje virov. Sonikator UIP16000hdT zlahka obdeluje velike količine odpadnih suspenzij, ki vsebujejo kovine, in tako olajšuje izluževanje plemenitih kovin in rud.

Sonikator UIP16000hdT zanesljivo obdeluje velike količine odpadnih suspenzij, ki vsebujejo kovine, in tako olajšuje izluževanje plemenitih kovin in rud.

Kako sonikacija deluje pri recikliranju baterij

Pri običajnem recikliranju baterij se katodni materiali (ki vsebujejo dragocene kovine) raztapljajo v kisli raztopini v postopku, imenovanem »izluževanje«. Ta pristop omogoča ločevanje in pridobivanje kovin iz trdne strukture baterije. Vendar je konvencionalno izluževanje časovno zahtevno in za pridobitev znatne količine kovin pogosto zahteva več ur. Potrebne so tudi močne kisline in visoke temperature, kar vzbuja pomisleke glede vpliva na okolje.
Sonikacija preobraža ta postopek z neposrednim vnosom ultrazvočnih valov v raztopino za izluževanje. V študiji avtorjev Canciani et al., objavljeni leta 2024, so raziskovalci to tehniko preizkusili z nadomestnim baterijskim materialom, litijevim kobaltovim nikljevim manganovim oksidom (NMC). Z uporabo ultrazvočnih valov pri določeni frekvenci in amplitudi so ugotovili, da ultrazvočna kavitacija skrajša čas izluževanja za več kot 80%. Postopek, ki je prej trajal več ur, je zdaj trajal le nekaj minut, kar pomeni revolucionarno izboljšanje učinkovitosti.

Vloga sonikacije pri intenziviranem izluževanju: znanstveno ozadje prenosa snovi in hitrosti

Sonikacija ne pospeši zgolj izluževanja; spremeni način, kako kisla raztopina deluje na baterijske delce. Ultrazvok visoke moči ustvarja milijone mikroskopskih mehurčkov, ki v raztopini hitro kolabirajo, kar je pojav, znan kot kavitacija. To delovanje ustvarja intenzivne lokalne sile, ki razgrajujejo površinske delce in povečujejo interakcijo med kislino in kovinami v baterijskem materialu.
Po ugotovitvah avtorjev Canciani et al. (2024) ima ta postopek dva glavna učinka na baterijske materiale: povečuje poroznost delcev in zmanjšuje njihovo velikost, kar vodi do izrazitega povečanja površine. Zaradi večje površine lahko kislina obsežneje deluje na material in tako olajša hitrejše izluževanje. Avtorji so opazili, da se je prostornina por v soniciranih vzorcih v primerjavi s konvencionalno obdelanimi povečala za en velikostni red, kar ustvarja več poti, po katerih lahko kislina raztaplja vsebovane kovine.

Sonikatorji Hielscher učinkovito preprečujejo zastajanje kisline v razpokah delcev. Med ultrazvočnim izluževanjem izboljšan transport izluženih zvrsti v glavnino tekoče faze spodbuja nastajanje globljih razpok v primerjavi s konvencionalno obdelavo. Pri tradicionalnem izluževanju je prodiranje kisline v razpoke omejeno, kar povzroči počasnejšo difuzijo izluženih kovin v glavnino tekočine in podaljša čas postopka.

Slike delcev, posnete z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM), ob različnih časih konvencionalnega (a–c) in ultrazvočnega (d–f) izluževanja.
Slika in študija: © Canciani et al., 2024

Postavitev industrijskega sonikatorja za izluževanje kovin in rud iz elektronskih odpadkov v toku.

Sonikatorji za izluževanje pri recikliranju baterij in urbanem rudarjenju.

Ultrazvočno izluževanje: izboljšane transportne lastnosti in mikromešanje

Študija tudi nakazuje, da ultrazvočna kavitacija ne izboljša le stika s površino, temveč tudi znatno izboljša transportne lastnosti. To v bistvu pomeni, da postane porazdelitev kisline po baterijskih delcih bolj enakomerna, mikromešanje, ki ga povzroča kavitacija, pa zagotavlja enakomerno izpostavljenost. Tako nastane homogenizirano reakcijsko okolje, ki kislini omogoča učinkovitejše in enakomernejše raztapljanje kovin.
Druga pomembna ugotovitev je, da prednosti ultrazvočne kavitacije presegajo zmanjšanje velikosti delcev. Raziskovalci so ugotovili, da kavitacija spreminja mehanizem interakcije med kislino in delci, verjetno zaradi izboljšanega transporta skozi mejno plast. Preprosto povedano, kavitacija zmanjšuje debelino tekočinske plasti, ki obdaja vsak delec, kar omogoča hitrejše raztapljanje kovin.

Za ultrazvočno izluževanje kovin je značilna porazdelitev z bistveno manjšimi velikostmi delcev. Manjša velikost delcev povečuje učinkovitost izluževanja ter izboljšuje pridobivanje plemenitih kovin, rud in redkih zemelj iz baterijskih odpadkov in pri urbanem rudarjenju.

Porazdelitve velikosti delcev po ultrazvočnem in konvencionalnem izluževanju
Slika in študija: © Canciani et al., 2024

Prednosti za urbano rudarjenje in trajnostnost

Učinkovitost sonikacije pri recikliranju baterij predstavlja ogromen potencial za prihodnost urbanega rudarjenja in trajnostnega pridobivanja virov. Ugotovitve avtorjev Canciani et al. (2024) kažejo, da bo sonikacija nadomestila okolju škodljive prakse ali zmanjšala odvisnost od njih z naslednjimi učinki:

Zmanjšanje uporabe kemikalij: Ultrazvočno intenzivirano izluževanje omogoča uporabo okolju prijaznejših topil, kot je ocetna kislina, namesto agresivnejših kislin, ki so običajno potrebne za konvencionalno izluževanje.
Zmanjšanje potreb po energiji: S sonikacijo izluževanje poteka hitro pri sobni temperaturi in ne zahteva dolgotrajnega segrevanja, kar zmanjšuje porabo energije in emisije.
Povečanje izkoristka pridobivanja materialov: Izboljšana interakcija na površini in povečana poroznost zagotavljata največji izkoristek pridobivanja dragocenih kovin, zaradi česar je postopek recikliranja ekonomsko upravičen in okolju prijazen.

Širši vpliv na baterijsko industrijo

Z razmahom električnih vozil in tehnologij obnovljive energije strmo narašča povpraševanje po baterijah in s tem po kovinah v njih. Urbano rudarjenje z recikliranjem, intenziviranim s sonikacijo, omogoča trajnostno pridobivanje teh kovin, zmanjšuje okoljsko breme rudarjenja in ponuja pristop z zaprtim krogom pri proizvodnji in odstranjevanju baterij.
Povečevanje obsega metod recikliranja s sonikacijo, optimizacija kombinacij topil in izpopolnjevanje uporabe ultrazvočnih valov bodo učinkovitost še dodatno povečali. Hielscher Ultrasonics vam bo z veseljem priporočil idealno konfiguracijo sonikatorja za obdelavo v toku za vaš postopek izluževanja. Stopite v stik z nami zdaj!

V tem videoposnetku vam predstavljamo ultrazvočni sistem z močjo 2 kilovata za pretočno delovanje v omari z možnostjo prepihovanja. Hielscher dobavlja ultrazvočno opremo za skoraj vse industrijske panoge, med drugim za kemično, farmacevtsko in kozmetično industrijo, petrokemične procese ter postopke ekstrakcije s topili. Ta omara iz nerjavnega jekla z možnostjo prepihovanja je zasnovana za delovanje v eksplozijsko ogroženih območjih. V ta namen lahko uporabnik zatesnjeno omaro prepihuje z dušikom ali svežim zrakom, da prepreči vdor vnetljivih plinov ali hlapov vanjo.

Zakaj Hielscher Ultrasonics?

visoka učinkovitost
najsodobnejša tehnologija
zanesljivost in robustnost
prilagodljivo, natančno krmiljenje procesa
šaržna obdelava in obdelava v toku
za katero koli prostornino
inteligentna programska oprema
pametne funkcije (npr. možnost programiranja, beleženje podatkov, daljinsko upravljanje)
preprosto in varno upravljanje
malo vzdrževanja
CIP (čiščenje na mestu)

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost, izdelana v Nemčiji

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključevanje naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke pogoje in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO, ki daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Spodnja tabela podaja okvirno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Prostornina šarže	Pretok	Priporočene naprave
10 do 2000mL	20 do 400mL/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
n.a.	10 do 100L/min	UIP16000
n.a.	večji	sklop naprav UIP16000

Ultrazvočni homogenizatorji z visokim strigom se uporabljajo pri laboratorijski in namizni obdelavi ter obdelavi v pilotnem in industrijskem merilu.

Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, dispergiranje, emulgiranje in ekstrakcijo v laboratorijskem, pilotnem in industrijskem merilu.

Sorodne teme

Literatura / Viri

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.

Pogosto zastavljena vprašanja

Kaj je postopek izluževanja?

Postopek izluževanja je metoda za pridobivanje dragocenih kovin iz trdnih materialov z njihovim raztapljanjem v tekočem topilu, običajno v kisli raztopini. Ta tehnika razgrajuje trdno matrico in omogoča prehod kovinskih ionov v raztopino, iz katere jih je mogoče nadalje prečistiti in pridobiti. Izluževanje se pogosto uporablja v rudarstvu in pri recikliranju za pridobivanje kovin iz rud in odpadnih materialov.

Kakšna je razlika med ekstrakcijo in izluževanjem?

Ekstrakcija in izluževanje se nanašata na postopke za ločevanje dragocenih snovi iz trdnega materiala, vendar se razlikujeta po metodah in kontekstih uporabe. Ekstrakcija se na splošno nanaša na širši nabor tehnik za odstranjevanje določene snovi, pogosto z uporabo topil za njeno ločevanje od drugih sestavin, in lahko vključuje različne fizikalne, kemijske ali toplotne metode. Izluževanje pa je posebna vrsta ekstrakcije, pri kateri se kovine ali druge topljive snovi iz trdne snovi raztapljajo v tekočini, običajno z uporabo kisle ali alkalne raztopine. Izluževanje se pogosto uporablja v rudarstvu, metalurgiji in postopkih recikliranja. Medtem ko se ekstrakcija lahko uporablja za različne snovi, izluževanje posebej vključuje selektivno odstranjevanje raztopljenih snovi iz trdnih snovi s tekočimi topili.

Katere snovi se običajno uporabljajo za izluževanje?

Običajne snovi za izluževanje vključujejo **kisline**, **alkalije** in **topila**, odvisno od materiala, ki se obdeluje. Pogosto uporabljena sredstva za izluževanje vključujejo:

Kisline:
- Žveplova kislina: Pogosto se uporablja pri ekstrakciji bakra, niklja in urana.
- Klorovodikova kislina: Uporablja se za izluževanje kovin, kot sta baker in zlato.
- Dušikova kislina: Običajno se uporablja za izluževanje plemenitih kovin, zlasti zlata in srebra.
- Ocetna kislina: Včasih se uporablja v okolju prijaznih postopkih izluževanja ali postopkih na osnovi organskih snovi.
Alkalije:
Natrijev hidroksid (kavstična soda): Uporablja se pri ekstrakciji aluminijevega oksida iz boksitne rude ali pri izluževanju nekaterih kovin, kot sta zlato in cink.
Topila:
- Cianid: Pogosto se uporablja pri pridobivanju zlata in srebra za izluževanje zlata iz rude (cianidacija).
- Amonijak: Uporablja se za izluževanje bakra in drugih neplemenitih kovin.

Te snovi pomagajo raztapljati določene kovine ali minerale iz rud, odpadnih materialov ali drugih trdnih snovi in tako olajšujejo pridobivanje dragocenih materialov.

Visokozmogljiva ultrazvočna tehnologija! Ponudba izdelkov Hielscher zajema celoten spekter od kompaktne laboratorijske ultrazvočne naprave prek namiznih enot do povsem industrijskih ultrazvočnih sistemov.

Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijske do industrijske velikosti.