Ultrazvočno izpiranje preoblikuje recikliranje baterij in mestno rudarstvo
Rabljene baterije in elektronski odpadki so polni dragocenih materialov, kot so litij, nikelj, mangan in kobalt, ki so bistvenega pomena za naraščajoče povpraševanje po obnovljivih virih energije in sektorjih električnih vozil. Mestno rudarstvo - proces pridobivanja teh kovin iz zavrženih baterij in drugih elektronskih odpadkov - je obetavna pot do krožnega gospodarstva, ki zmanjšuje potrebo po deviškem rudarjenju in zmanjšuje odpadke. Ključna tehnika na tem področju je ultrazvočna obdelava, ki je pokazala ogromne koristi pri povečanju stopnje predelave kovin, skrajšanju časa obdelave in izboljšanju trajnosti.
Moč ultrazvočnega razbijanja pri recikliranju baterij in mestnem rudarjenju: sprememba igre za trajnostno obnovo virov
Nedavna študija Canciani et al. (2024) raziskuje učinke ultrazvočne kavitacije - drobnih udarnih valov, ki jih ustvarjajo ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti - na proces izpiranja za recikliranje baterij. Njihove raziskave kažejo, da ultrazvočno razbijanje ni le skromno izboljšanje tradicionalnega recikliranja; Bistveno spremeni način interakcije postopka recikliranja z materialom baterije, zaradi česar je hitrejši, učinkovitejši in manj odvisen od ostrih kemikalij.
Več o ugotovitvah študije preberite spodaj!
Ultrazvočno izboljšano kislinsko izpiranje deluje dvanajstkrat hitreje kot običajno kislinsko izpiranje zaradi koristnega mehanskega delovanja kavitacijskih mehurčkov, ki se razpočijo blizu površine. Ta pojav izboljša mešanje kislinske raztopine in s tem izboljša transportne lastnosti.
Slika in študija: © Canciani et al., 2024
The Sonicator UIP16000hdT zanesljivo obdeluje velik pretok odpadkov, ki vsebujejo kovine, kar olajša izpiranje plemenitih kovin in rud.
Kako deluje ultrazvočno razbijanje pri recikliranju baterij
Pri tipičnem recikliranju baterij se katodni materiali (ki vsebujejo dragocene kovine) raztopijo v kisli raztopini, kar se imenuje “Spiranja.” Ta pristop omogoča ločevanje in predelavo kovin iz trdne strukture baterije. Vendar pa je konvencionalno izpiranje časovno intenzivno, pogosto traja več ur, da se doseže pomembna predelava kovin. Zahteva tudi močne kisline in visoke temperature, kar vzbuja zaskrbljenost zaradi vpliva na okolje.
Sonication preoblikuje ta proces z dodajanjem ultrazvočnih valov neposredno v raztopino za izpiranje. V študiji, objavljeni leta 2024, ki so jo objavili Canciani et al., so raziskovalci to tehniko preizkusili z nadomestnim materialom baterije, litij-kobaltom, nikljevim manganovim oksidom (NMC). Z uporabo ultrazvočnih valov pri določeni frekvenci in amplitudi so ugotovili, da ultrazvočna kavitacija zmanjša čas izpiranja za več kot 80%. Postopek je trajal več ur v nekaj minut, kar je omogočilo revolucionarno izboljšanje učinkovitosti.
Vloga ultrazvočnega razbijanja pri izboljšanem izpiranje: znanost za prenosom mase in hitrostjo
Sonication ne samo pospeši izpiranje; Spremeni način interakcije kisle raztopine z delci baterije. Ultrazvok visoke moči ustvarja milijone mikroskopskih mehurčkov, ki se hitro zrušijo v raztopini, pojav, znan kot kavitacija. To delovanje ustvarja intenzivne lokalne sile, ki razgrajujejo površinske delce in povečujejo interakcijo med kislino in kovinami v materialu baterije.
Po Canciani et al. (2024) ima ta proces dva primarna učinka na materiale baterij: poveča poroznost delcev in zmanjša njihovo velikost, kar vodi do dramatičnega povečanja površine. Z večjo površino lahko kislina bolj deluje z materialom in tako olajša hitrejše izpiranje. Avtorji so ugotovili, da se je volumen por v ultrazvočnih vzorcih povečal za red velikosti v primerjavi s tistimi, ki so konvencionalno obdelani, kar ustvarja več poti, da kislina raztopi vsebnost kovine.
SEM slike za delce v različnih časih konvencionalnega (a-c) in ultrazvočnega (d-f) izpiranja.
Slika in študija: © Canciani et al., 2024
Sonikatorji za izpiranje pri recikliranju baterij in mestnem rudarjenju.
Ultrazvočno izpiranje: izboljšane transportne lastnosti in mikro-mešanje
Študija tudi kaže, da ultrazvočna kavitacija ne le izboljša površinski stik, temveč tudi znatno izboljša transportne lastnosti. V bistvu to pomeni, da porazdelitev kisline po delcih baterije postane bolj enakomerna, pri čemer mikromešanje, ki ga povzroča kavitacija, zagotavlja enakomerno izpostavljenost. To vodi do homogeniziranega reakcijskega okolja, ki kislini omogoča, da se kovine raztopijo učinkoviteje in enakomerneje.
Druga pomembna ugotovitev je, da prednosti ultrazvočne kavitacije presegajo zmanjšanje velikosti delcev. Raziskovalci so ugotovili, da kavitacija spremeni mehanizem interakcije med kislino in delci, verjetno zaradi izboljšanega transporta mejne plasti. Preprosto povedano, kavitacija zmanjša debelino tekoče plasti, ki obdaja vsak delec, kar omogoča hitrejše raztapljanje kovine.
Porazdelitev velikosti delcev po ultrazvočnem in konvencionalnem izpiranju
Slika in študija: © Canciani et al., 2024
Koristi za mestno rudarjenje in trajnost
Učinkovitost ultrazvočnega razbijanja pri recikliranju baterij ima ogromen potencial za prihodnost mestnega rudarjenja in trajnostnega pridobivanja virov. Ugotovitve Canciani et al. (2024) kažejo, da bo ultrazvočno razbijanje nadomestilo ali zmanjšalo zanašanje na okolju škodljive prakse, tako da:
- Zmanjšanje uporabe kemikalij: Ultrazvočno izboljšano izpiranje omogoča uporabo bolj zelenih topil, kot je ocetna kislina, namesto ostrejših kislin, ki so običajno potrebne za konvencionalno izpiranje.
- Znižanje energetskih potreb: Pri ultrazvočnem razbijanju se izpiranje hitro pojavi pri sobni temperaturi, namesto da bi bilo potrebno dolgotrajno ogrevanje, kar zmanjšuje porabo energije in emisije.
- Povečanje snovne predelave: Izboljšana površinska interakcija in povečana poroznost povečujeta stopnjo predelave dragocenih kovin, zaradi česar je postopek recikliranja ekonomsko izvedljiv in okolju prijazen.
Širši vpliv na industrijo baterij
Ker se električna vozila in tehnologije obnovljivih virov energije širijo, povpraševanje po baterijah in s tem po kovinah v njih narašča. Mestno rudarstvo z recikliranjem z ultrazvočnim razbivanjem ponuja sredstva za trajnostno predelavo teh kovin, zmanjšanje okoljske obremenitve rudarjenja in ponuja pristop zaprte zanke k proizvodnji in odstranjevanju baterij.
Povečanje metod recikliranja, ki temeljijo na ultrazvočni obdelavi, optimizacija kombinacij topil in izboljšanje uporabe ultrazvočnih valov bodo še povečali učinkovitost. Hielscher Ultrasonics vam bo z veseljem priporočil idealno enolinijsko konfiguracijo sonikatorja za vaš postopek izpiranja. Kontaktirajte nas zdaj!
- visoka učinkovitost
- Najsodobnejša tehnologija
- Zanesljivost & Robustnosti
- nastavljiv, natančen nadzor procesa
- Serije & Inline
- za poljubno količino
- Inteligentna programska oprema
- pametne funkcije (npr. programabilno, podatkovno protokoliranje, daljinski upravljalnik)
- enostaven in varen za uporabo
- nizko vzdrževanje
- CIP (čiščenje na mestu)
Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji
Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.
Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, disperzijo, emulgacijo in ekstrakcijo v laboratorijski, pilotni in industrijski ravni.
Literatura / Reference
- 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 izpiranja?
Postopek izpiranja je metoda, ki se uporablja za pridobivanje dragocenih kovin iz trdnih materialov z raztapljanjem v tekočem topilu, običajno kisli raztopini. Ta tehnika razgradi trdno matrico, kar omogoča kovinskim ionom, da vstopijo v raztopino, iz katere jih je mogoče nadalje očistiti in obnoviti. Izpiranje se pogosto uporablja v rudarstvu in recikliranju za predelavo kovin iz rud in odpadnih materialov.
Kakšna je razlika med ekstrakcijo in izpiranjem?
Ekstrakcija in izpiranje se nanašata na postopke, ki se uporabljajo za ločevanje dragocenih snovi od trdnega materiala, vendar se razlikujeta po metodah in kontekstih. Ekstrakcija se na splošno nanaša na širši spekter tehnik, ki se uporabljajo za odstranjevanje določene snovi, pogosto z uporabo topil za ločevanje od drugih sestavin in lahko vključuje različne fizikalne, kemične ali toplotne metode. Po drugi strani pa je izpiranje posebna vrsta ekstrakcije, ki vključuje raztapljanje kovin ali drugih raztopljenih snovi iz trdne snovi v tekočino, običajno z uporabo kisle ali alkalne raztopine. Izpiranje se običajno uporablja v rudarstvu, metalurgiji in procesih recikliranja. Medtem ko se ekstrakcija lahko uporablja za različne snovi, izpiranje vključuje selektivno odstranjevanje raztopljenih snovi iz trdnih snovi z uporabo tekočih topil.
Katere so tipične snovi, ki se uporabljajo za izpiranje?
Tipične snovi, ki se uporabljajo za izpiranje, vključujejo kisline, alkalije in topila, odvisno od materiala, ki se obdeluje. Pogosto uporabljena sredstva za izpiranje vključujejo:
- Kisline:
- Žveplova kislina: Pogosto se uporablja pri ekstrakciji bakra, niklja in urana.
- Klorovodikova kislina: Uporablja se pri izpiranju kovin, kot sta baker in zlato.
- Dušikova kislina: Običajno se uporablja pri izpiranju plemenitih kovin, zlasti zlata in srebra.
- Ocetna kislina: Včasih se uporablja v okolju prijaznih ali organskih procesih izpiranja.
- Alkalije:
Natrijev hidroksid (kavstična soda): Uporablja se pri ekstrakciji aluminijevega oksida iz boksitne rude ali pri izpiranju nekaterih kovin, kot sta zlato in cink. - Topila:
- Cianid: Običajno se uporablja pri pridobivanju zlata in srebra za izpiranje zlata iz rude (cianidacija).
- Amoniak: Uporablja se pri izpiranju bakra in drugih navadnih kovin.
Te snovi pomagajo raztopiti določene kovine ali minerale iz rud, odpadnih materialov ali drugih trdnih snovi, kar olajša predelavo dragocenih materialov.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.