Ултразвучно излуживање преображава рециклажу батерија и урбано рударство
Искоришћене батерије и електронски отпад садрже обиље вредних материјала као што су литијум, никл, манган и кобалт, неопходних за задовољавање растуће потражње у секторима обновљиве енергије и електричних возила. Урбано рударство – процес поновног добијања ових метала из одбачених батерија и другог електронског отпада – представља обећавајући пут ка циркуларној економији, смањујући потребу за експлоатацијом примарних рудних ресурса и сводећи отпад на најмању меру. Кључна техника у овој области је соникација, која је показала огромне предности у повећању степена издвајања метала, скраћивању времена обраде и побољшању одрживости.
Моћ соникације у рециклажи батерија и урбаном рударству: прекретница за одрживо поновно добијање ресурса
Недавна студија аутора Canciani и сар. (2024) истражује утицај ултразвучне кавитације – сићушних ударних таласа насталих дејством ултразвучних таласа високог интензитета – на процес излуживања при рециклажи батерија. Њихово истраживање показује да соникација није само скромно унапређење традиционалне рециклаже; она из темеља мења начин на који процес рециклаже делује на материјал батерије, чинећи га бржим, ефикаснијим и мање зависним од агресивних хемикалија.
У наставку прочитајте више о налазима студије!
Киселинско излуживање потпомогнуто ултразвуком одвија се дванаест пута брже од конвенционалног киселинског излуживања, захваљујући повољном механичком дејству кавитационих мехурића који пуцају у близини површине. Ова појава побољшава мешање раствора киселине, чиме унапређује транспортна својства.
Слика и студија: © Canciani et al., 2024
Соникатор UIP16000hdT поуздано обрађује велике количине отпадних суспензија које садрже метале уз висок капацитет обраде, олакшавајући излуживање племенитих метала и руда.
Како соникација делује у рециклажи батерија
При уобичајеној рециклажи батерија, катодни материјали (који садрже вредне метале) растварају се у киселом раствору, у процесу који се назива „излуживање“. Овај приступ омогућава раздвајање и издвајање метала из чврсте структуре батерије. Међутим, конвенционално излуживање захтева много времена, често и више сати да би се постигао значајан степен издвајања метала. Оно такође захтева јаке киселине и високе температуре, што изазива забринутост због утицаја на животну средину.
Соникација преображава овај процес увођењем ултразвучних таласа директно у раствор за излуживање. У студији аутора Canciani и сар., објављеној 2024. године, истраживачи су испитали ову технику на заменском материјалу батерије, оксиду литијума, кобалта, никла и мангана (NMC). Применом ултразвучних таласа одређене фреквенције и амплитуде утврдили су да ултразвучна кавитација скраћује време излуживања за више од 80%. Процес који је трајао сатима сведен је на свега неколико минута, што представља револуционарно побољшање ефикасности.
Улога соникације у побољшаном излуживању: научна основа преноса масе и брзине
Соникација не само да убрзава излуживање већ и мења начин на који кисели раствор ступа у интеракцију са честицама батерије. Ултразвук велике снаге ствара милионе микроскопских мехурића који нагло колабирају у раствору, што је појава позната као кавитација. Ово дејство ствара снажне локалне силе које уситњавају честице на површини и појачавају интеракцију између киселине и метала унутар материјала батерије.
Према Canciani и сар. (2024), овај процес има два главна дејства на материјале батерије: повећава порозност честица и смањује њихову величину, што доводи до драстичног повећања површине. Са већом површином, киселина може у већој мери да ступа у интеракцију са материјалом, чиме се олакшава брже излуживање. Аутори су уочили да је запремина пора у соницираним узорцима повећана за један ред величине у поређењу са узорцима обрађеним конвенционално, стварајући више путева којима киселина може да допре до метала у материјалу и раствори их.
SEM снимци честица у различитим временским тачкама конвенционалног (a–c) и ултразвучног (d–f) излуживања.
Слика и студија: © Canciani et al., 2024
Соникатори за излуживање у рециклажи батерија и урбаном рударству.
Ултразвучно лужење: побољшана транспортна својства и микромешање
Студија такође указује на то да ултразвучна кавитација не само да побољшава површински контакт већ и знатно побољшава транспортна својства. У суштини, то значи да расподела киселине по честицама батеријског материјала постаје равномернија, при чему микромешање изазвано кавитацијом обезбеђује равномерну изложеност. Тиме се ствара хомогена реакциона средина, што омогућава киселини да ефикасније и равномерније раствара метале.
Још један значајан налаз јесте да користи од ултразвучне кавитације превазилазе само смањење величине честица. Истраживачи су утврдили да кавитација мења механизам интеракције између киселине и честица, вероватно услед побољшаног транспорта кроз гранични слој. Једноставно речено, кавитација смањује дебљину слоја течности који окружује сваку честицу, омогућавајући брже растварање метала.
Расподеле величине честица након ултразвучног и конвенционалног лужења
Слика и студија: © Canciani et al., 2024
Користи за урбано рударство и одрживост
Ефикасност соникације у рециклажи батерија има огроман потенцијал за будућност урбаног рударства и одрживог поновног добијања ресурса. Налази Canciani et al. (2024) указују на то да ће соникација заменити праксе штетне по животну средину или смањити ослањање на њих кроз:
- Смањење употребе хемикалија: Лужење побољшано ултразвуком омогућава употребу еколошки прихватљивијих растварача попут сирћетне киселине уместо агресивнијих киселина које су обично потребне за конвенционално лужење.
- Смањење енергетских потреба: Уз соникацију, лужење се брзо одвија на собној температури уместо да захтева дуготрајно загревање, чиме се смањују потрошња енергије и емисије.
- Повећање искоришћења материјала: Побољшана површинска интеракција и повећана порозност максимизују степене искоришћења вредних метала, чинећи поступак рециклаже економски исплативим и еколошки прихватљивим.
Шири утицај на индустрију батерија
Како се шире употреба електричних возила и технологије обновљиве енергије, потражња за батеријама, а тиме и за металима у њима, нагло расте. Урбано рударство уз рециклажу побољшану соникацијом нуди начин да се ови метали поново добију на одржив начин, смањујући еколошко оптерећење повезано с рударством и нудећи приступ производњи и одлагању батерија у затвореном циклусу.
Повећање размера примене метода рециклаже заснованих на соникацији, оптимизација комбинација растварача и усавршавање примене ултразвучних таласа додатно ће повећати ефикасност. Hielscher Ultrasonics ће вам радо препоручити идеалну конфигурацију соникатора за рад у протоку за ваш поступак лужења. Контактирајте нас сада!
- висока ефикасност
- најсавременија технологија
- поузданост и робусност
- подесива, прецизна контрола процеса
- шаржни рад и рад у протоку
- за било коју запремину
- интелигентан софтвер
- паметне функције (нпр. могућност програмирања, евидентирање података, даљинско управљање)
- једноставно и безбедно руковање
- мале потребе за одржавањем
- CIP (чишћење на месту)
Пројектовање, производња и консалтинг – квалитет произведен у Немачкој
Hielscher ултразвучни уређаји добро су познати по највишим стандардима квалитета и дизајна. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Hielscher ултразвучни уређаји лако подносе тешке услове и захтевна окружења.
Hielscher Ultrasonics је компанија са ISO сертификатом и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставношћу употребе. Наравно, Hielscher ултразвучни уређаји усаглашени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.
Табела у наставку даје вам увид у приближан капацитет обраде наших ултразвучних уређаја:
| Запремина шарже | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 до 150L | 3 до 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | већи | кластер уређаја UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси за мешање, дисперговање, емулговање и екстракцију у лабораторијским, пилотским и индустријским размерама.
Литература / Референце
- 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.
Често постављана питања
Шта је процес лужења?
Процес лужења је метода која се користи за издвајање вредних метала из чврстих материјала њиховим растварањем у течном растварачу, обично киселом раствору. Овом техником разграђује се чврста матрица, чиме се јонима метала омогућава да пређу у раствор, из којег се затим могу даље пречишћавати и издвајати. Лужење се широко примењује у рударству и рециклажи за издвајање метала из руда и отпадних материјала.
Која је разлика између екстракције и лужења?
Екстракција и лужење означавају процесе који се користе за одвајање вредних супстанци из чврстог материјала, али се разликују по методама и контекстима примене. Екстракција се уопштено односи на шири спектар техника које се користе за издвајање одређене супстанце, често уз употребу растварача за њено одвајање од других компоненти, и може обухватати различите физичке, хемијске или термичке методе. Лужење је, с друге стране, посебна врста екстракције која подразумева растварање метала или других растворљивих супстанци из чврстог материјала у течности, обично уз употребу киселог или алкалног раствора. Лужење се често користи у рударству, металургији и процесима рециклаже. Док се екстракција може применити на различите супстанце, лужење конкретно подразумева селективно уклањање растворених супстанци из чврстих материјала помоћу течних растварача.
Које се супстанце обично користе за лужење?
Супстанце које се обично користе за лужење укључују **киселине**, **алкалије** и **раствараче**, у зависности од материјала који се обрађује. Најчешће коришћена средства за лужење укључују:
- Киселине:
- Сумпорна киселина: Често се користи за екстракцију бакра, никла и уранијума.
- Хлороводонична киселина: Користи се за лужење метала као што су бакар и злато.
- Азотна киселина: Обично се користи за лужење племенитих метала, нарочито злата и сребра.
- Сирћетна киселина: Понекад се користи у еколошки прихватљивим процесима лужења или процесима лужења на органској основи.
- Алкалије:
Натријум-хидроксид (каустична сода): Користи се за екстракцију глинице из руде боксита или за лужење одређених метала попут злата и цинка. - Растварачи:
- Цијанид: Често се користи у рударству злата и сребра за лужење злата из руде (цијанизација).
- Амонијак: Користи се за лужење бакра и других неплеменитих метала.
Ове супстанце помажу у растварању одређених метала или минерала из руда, отпадних материјала или других чврстих материјала, олакшавајући издвајање вредних материјала.
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси од лабораторијских до индустријских размера.