النض بالموجات فوق الصوتية للعناصر الأرضية النادرة من الرماد

يمكن للنض بالموجات فوق الصوتية أن يزيد مردود الاستخلاص ويقلل أوقات المعالجة عند استرجاع العناصر الأرضية النادرة من الرماد. ومن خلال تحسين التلامس بين جسيمات الرماد وعوامل النض، تعمل الموجات فوق الصوتية عالية القدرة على تسريع الذوبان وتساعد على إتاحة العناصر القيّمة بصورة أكبر. وتُظهر الدراسات التي أُجريت على الرماد المتطاير للفحم هذه الإمكانات: فقد أفاد الباحثون باستخلاص 97% من الإيتريوم، بينما خفّضت دراسة منفصلة على الغاليوم والفاناديوم زمن النض الحمضي من 180 إلى 20 دقيقة.

الرماد بوصفه موردًا ثانويًا للعناصر الأرضية النادرة

يمثل الرماد موردًا ثانويًا واعدًا للعناصر الأرضية النادرة (REEs). ويمكن أن تحتوي مخلفات احتراق الفحم على الإيتريوم وغيره من العناصر الأرضية النادرة المستخدمة في الإلكترونيات وتقنيات الطاقة والمواد المتقدمة. وقد يؤدي استرجاع هذه العناصر من تدفقات الرماد ورواسبه القائمة إلى تنويع إمدادات المواد الخام وتحويل مادة مخصصة للتخلص منها إلى مادة أولية مفيدة.
تعتمد إمكانات الاستخلاص على كلٍّ من تركيز العناصر وإمكانية الوصول إليها. فقد يحتوي الرماد على عناصر قيّمة، لكنه لا يحرر إلا جزءًا محدودًا منها أثناء النض إذا كانت المصفوفة المعدنية المحيطة بها تحدّ من وصول الكواشف إليها. ولذلك، يجب النظر إلى تركيب الرماد والمعالجة المسبقة وكيمياء النض معًا. وقد يؤدي استرجاع عدة عناصر قيّمة من المادة الأولية نفسها أيضًا إلى تحسين فرص نجاح العملية.
يُفتّت النض بالموجات فوق الصوتية جسيمات الرماد، مما يتيح العناصر الأرضية النادرة لكواشف النض. ومن خلال تحسين انتقال الكتلة بين الجسيمات والكاشف، تزيد المعالجة بالموجات فوق الصوتية الاسترجاع مع تقليل زمن المعالجة!

كيف تُحسّن الموجات فوق الصوتية نض الرماد

تكثّف الموجات فوق الصوتية عالية القدرة الاستخلاص من الأنظمة الصلبة–السائلة من خلال التجويف الصوتي. وتتكون فقاعات مجهرية وتنهار في السائل، مولّدةً قوى قص موضعية ونفاثات دقيقة ومزجًا شديدًا. ويمكن لهذه التأثيرات أن تشتت تكتلات الجسيمات وتنظف الأسطح المكشوفة وتحسّن انتقال عوامل النض إلى المواقع التفاعلية. وتُنقل الأنواع الكيميائية الذائبة بعيدًا بسرعة أكبر، مما يساعد على استمرار الذوبان.

وتوفر هذه التأثيرات عدة مزايا عملية لمعالجة الرماد:

• نض أسرع: يمكن لتحسين انتقال الكتلة أن يقلل الوقت اللازم لاستخلاص المعادن التي يمكن الوصول إليها.
• مردود استخلاص أعلى: يمكن لتحسين التلامس مع السطح أن يساعد على تحرير المادة التي تظل غير منضوضة بصورة كافية عند استخدام المزج التقليدي.
• الجمع مع المعالجة المسبقة: يمكن للموجات فوق الصوتية تكثيف مرحلة النض بعد أن يجعل التنشيط الأطوار المقاومة أكثر قابلية للوصول إليها.
• تطوير مرن للعملية: يمكن تطوير المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتكييفها مع التغيرات في تركيز الحمض ومحتوى المواد الصلبة ودرجة الحرارة وزمن المعالجة.

أمثلة بحثية: مردود مرتفع وأوقات نض أقصر

توضح الدراسات التالية هذه المزايا في ظل ظروف تجريبية محددة. ويُعد الإيتريوم عنصرًا أرضيًا نادرًا؛ أما الغاليوم والفاناديوم فهما من المعادن القيّمة الأخرى. ويقدم استخلاصها أدلة مكمّلة على معالجة الرماد بالموجات فوق الصوتية.

الإيتريوم والفاناديوم: استخلاص يصل إلى 97% و100%

درس Masoum et al. (2021) استخلاص الفاناديوم والإيتريوم من الرماد المتطاير للفحم باستخدام حمض الكبريتيك وبيروكسيد الهيدروجين والموجات فوق الصوتية. وطبّق الباحثون منهجية سطح الاستجابة لتحسين نسبة المواد الصلبة إلى السائل ونِسَب حمض الكبريتيك وبيروكسيد الهيدروجين. وفي ظل الظروف المحسّنة، بلغ الاستخلاص المُبلّغ عنه 100% للفاناديوم و97% للإيتريوم.
أشار نموذج معدّل للنواة المتقلصة إلى أن الانتشار الكتلي يتحكم في معدل التفاعل. وتبرز هذه النتيجة أهمية عمليات النقل في النظام المدروس وتدعم استهداف انتقال الكتلة أثناء تحسين العملية. وتُظهر النتائج إمكانية تحقيق استخلاص مرتفع للإيتريوم باستخدام المعالجة المركبة، مع أن المردود المُبلّغ عنه يعكس النظام الكامل الذي يجمع الكواشف والموجات فوق الصوتية.

صور بالمجهر الإلكتروني الماسح بالانبعاث الميداني (FESEM) لرماد الفحم الخام: (a) على اليسار قبل نض رماد الفحم، و(b) بعد النض بالموجات فوق الصوتية.
الدراسة والصور: ©Masoum et al., 2021

الغاليوم والفاناديوم: زمن نض أقصر بنسبة 88.89%

درس Zhang et al. (2026) النض الحمضي بالموجات فوق الصوتية بعد التحميص التنشيطي باستخدام كربونات الصوديوم. وتضمنت المعالجة المسبقة المحسّنة التحميص عند 850°C لمدة 60 دقيقة، باستخدام نسبة كتلية للرماد المتطاير إلى Na₂CO₃ مقدارها 2:1. وحقق النض الحمضي اللاحق بالموجات فوق الصوتية استخلاصًا مرتفعًا للغاليوم والفاناديوم خلال 20 دقيقة.

يعادل الخفض من 180 إلى 20 دقيقة تقصير مرحلة النض بنسبة 88.89%. وأشار التحليل الحركي إلى زيادة ثوابت السرعة وتحسين كلٍّ من انتقال الكتلة وعمليات التفاعل عند السطح البيني. وتُظهر هذه النتائج إمكانات الجمع بين التحميص التنشيطي والنض بالموجات فوق الصوتية. وينطبق توفير الوقت على النض؛ إذ يظل التحميص خطوة معالجة إضافية.

يجري النض الحمضي المعزز بالموجات فوق الصوتية بمعدل يبلغ اثني عشر ضعف معدل النض الحمضي التقليدي، نتيجة التأثير الميكانيكي المفيد لانفجار فقاعات التجويف بالقرب من السطح. وتُحسّن هذه الظاهرة مزج المحلول الحمضي، مما يعزز خصائص النقل.
الصورة والدراسة: © Canciani et al., 2024

طوّر عملية النض بالموجات فوق الصوتية لديك لتحقيق استرجاع مرتفع للعناصر الأرضية النادرة

في الاستخلاص العملي للعناصر الأرضية النادرة، يتبع النضَ فصلُ العناصر الذائبة وتنقيتُها. ولذلك، تمثل كفاءة النض المرتفعة نتيجة وسيطة مهمة، وليست مردود منتج نهائي من العناصر الأرضية النادرة. وينبغي أن يشمل تقييم العملية الاسترجاع في المراحل اللاحقة واستخدام الكواشف والطاقة اللازمة لكلٍّ من المعالجة المسبقة والمعالجة بالموجات فوق الصوتية.
تقدم Hielscher أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية توضع على طاولة العمل وبمواصفات صناعية، ومفاعلات تدفق بالموجات فوق الصوتية للخدمة الشاقة، لتطوير عمليات النض المكثّفة وتنفيذها. ويمكن أن يحدد اختيار المعدات والتجارب السعة الاهتزازية ومحتوى المواد الصلبة وزمن المكوث والتحكم في درجة الحرارة المناسبة لنوع معين من الرماد.
توسيع نطاق بسيط إلى أحجام كبيرة: بمجرد تحديد المعاملات اللازمة للاسترجاع الأمثل، يمكن بعد ذلك توسيع نطاقها خطيًا إلى أي حجم نض تجاري.

صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لجسيمات عند أوقات مختلفة من النض التقليدي (a–c) والنض بالموجات فوق الصوتية (d–f).
الصورة والدراسة: © Canciani et al., 2024

المؤلفات / المراجع

• Masoum, H.G., Rastegar, S.O. and Khamforoush, M. (2021): Ultrasound-Assisted Leaching of Vanadium and Yttrium from Coal Ash: Optimization, Kinetic and Thermodynamic Study. Chemical Engineering and Technology 44, 2021. x2249-2256.
• Qian Zhang, Deqing Zhu, Siwei Li, Jian Pan, Zhengqi Guo, Congcong Yang, Jiachen Gong (2026):
  Ultrasonic enhanced leaching for the synergistic extraction of Ga and V from fly ash. Journal of Environmental Chemical Engineering, Volume 14, Issue 5, 2026.
• 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.