الترشيح بالموجات فوق الصوتية لعناصر التربة النادرة من الرماد

يمكن أن يؤدي الترشيح بالموجات فوق الصوتية إلى زيادة عائدات الاستخلاص وتقصير أوقات المعالجة عند استخلاص العناصر الأرضية النادرة من الرماد. ومن خلال تحسين التلامس بين جزيئات الرماد وعوامل الترشيح، تعمل الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة على تسريع عملية الذوبان وتساعد في تسهيل الوصول إلى العناصر القيمة. تُظهر الدراسات التي أُجريت على رماد الفحم المتطاير هذه الإمكانات: فقد أفاد الباحثون باستخراج 97% من الإيتريوم، بينما أظهرت دراسة منفصلة حول الغاليوم والفاناديوم تقليص وقت الترشيح الحمضي من 180 دقيقة إلى 20 دقيقة.

الرماد كمورد ثانوي لعناصر التربة النادرة

تمثل الرماد مورداً ثانوياً واعداً لعناصر الأرض النادرة (REEs). فقد تحتوي بقايا احتراق الفحم على الإيتريوم وعناصر أرضية نادرة أخرى تُستخدم في مجال الإلكترونيات وتقنيات الطاقة والمواد المتطورة. ويمكن أن يؤدي استخلاص هذه العناصر من تدفقات الرماد ورواسبه الحالية إلى تنويع إمدادات المواد الخام وتحويل مادة كان من المقرر التخلص منها إلى مادة خام مفيدة.
يعتمد إمكانية الاستخلاص على كل من تركيز العناصر وإمكانية الوصول إليها. فقد يحتوي الرماد على عناصر قيّمة، لكنه لا يطلق سوى جزء محدود منها أثناء عملية الترشيح إذا كانت المصفوفة المعدنية المحيطة تحد من وصول الكواشف. وبالتالي، يجب النظر في تكوين الرماد والمعالجة المسبقة وكيمياء عملية الترشيح ككل. كما أن استخلاص عدة عناصر قيّمة من نفس المادة الخام قد يحسّن أيضًا من آفاق العملية.
يعمل الترشيح بالموجات فوق الصوتية على تفتيت جزيئات الرماد، مما يجعل العناصر الأرضية النادرة متاحة لمواد الترشيح. ومن خلال تحسين انتقال الكتلة بين الجزيئات ومواد الترشيح، تزيد المعالجة بالموجات فوق الصوتية من معدل الاستخلاص مع تقصير وقت المعالجة!

كيف تُحسّن الموجات فوق الصوتية عملية ترشيح الرماد

يعمل الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة على تعزيز عملية الاستخلاص من الحالة الصلبة إلى السائلة من خلال التكهف الصوتي. تتشكل فقاعات مجهرية وتنهار داخل السائل، مما يولد قوى قص محلية ونفثات دقيقة وخلطًا مكثفًا. ويمكن لهذه التأثيرات أن تفرق تكتلات الجسيمات، وتنظف الأسطح المكشوفة، وتحسن نقل عوامل الترشيح إلى المواقع التفاعلية. كما يتم نقل المواد المذابة بعيدًا بسرعة أكبر، مما يساعد على استمرار عملية الذوبان.

فيما يتعلق بمعالجة الرماد، توفر هذه الآثار عدة مزايا عملية:

• تسرب أسرع: يمكن أن يؤدي تحسين عملية نقل الكتلة إلى تقصير المدة اللازمة لاستخراج المعادن القابلة للاستخراج.
• زيادة معدلات الاستخلاص: يمكن أن يساعد تحسين التلامس السطحي على تحرير المواد التي لم يتم ترشيحها بشكل كافٍ في عملية الخلط التقليدية.
• الجمع مع المعالجة المسبقة: يمكن للموجات فوق الصوتية أن تعزز مرحلة الترشيح بعد أن أدى التنشيط إلى تسهيل الوصول إلى المراحل المقاومة.
• تطوير العمليات بمرونة: يمكن تطوير تقنية المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتكييفها لتتناسب مع التغيرات في تركيز الحمض، وكمية المواد الصلبة، ودرجة الحرارة، ومدة المعالجة.

أمثلة بحثية: غلات عالية وأوقات ترشيح أقصر

توضح الدراسات التالية هذه المزايا في ظل ظروف تجريبية محددة. الإيتريوم عنصر من العناصر الأرضية النادرة؛ أما الغاليوم والفاناديوم فهما معادن قيّمة أخرى. ويوفر استخلاصها أدلة تكميلية على فعالية المعالجة بالموجات فوق الصوتية للرماد.

الإيتريوم والفاناديوم: نسبة استخلاص تصل إلى 97% و100%

قام ماسوم وآخرون (2021) بدراسة استخلاص الفاناديوم والإيتريوم من رماد الفحم المتطاير باستخدام حامض الكبريتيك وبيروكسيد الهيدروجين والموجات فوق الصوتية. وقد طبق الباحثون منهجية سطح الاستجابة لتحسين نسبة المادة الصلبة إلى السائلة ونسب حمض الكبريتيك وبيروكسيد الهيدروجين. وفي ظل الظروف المُحسَّنة، بلغت نسبة الاستخلاص المُبلغ عنها 100% للفاناديوم و97% للإيتريوم.
أشار نموذج «اللب المتقلص» المعدل إلى أن انتشار الكتلة هو الذي يتحكم في معدل التفاعل. وتسلط هذه النتيجة الضوء على أهمية عمليات النقل في النظام قيد الدراسة، وتدعم التركيز على نقل الكتلة أثناء عملية تحسين العملية. وتُظهر النتائج أنه يمكن تحقيق نسبة عالية من استخلاص الإيتريوم باستخدام المعالجة المركبة، على الرغم من أن العوائد المذكورة تعكس استخدام الكامل للمواد الكيميائية ونظام الموجات فوق الصوتية.

صور FESEM لرماد الفحم الخام: (أ) اليسار قبل عملية ترشيح رماد الفحم، (ب) بعد عملية الترشيح بالموجات فوق الصوتية.
الدراسة والصور: ©Masoum et al., 2021

الغاليوم والفاناديوم: 88.89% انخفاض في مدة الترشيح

قام تشانغ وآخرون (2026) بدراسة عملية الترشيح الحمضي بالموجات فوق الصوتية عقب التحميص التنشيطي باستخدام كربونات الصوديوم. وتألفت المعالجة المسبقة المُحسَّنة من التحميص عند درجة حرارة 850 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة، باستخدام نسبة كتلة الرماد المتطاير إلى Na₂CO₃ تبلغ 2:1. وأدى عملية الترشيح الحمضي بالموجات فوق الصوتية التي تلت ذلك إلى تحقيق نسبة عالية من استخلاص الغاليوم والفاناديوم في غضون 20 دقيقة.

ويعني تقليص المدة من 180 دقيقة إلى 20 دقيقة أن مرحلة الترشيح أصبحت أقصر بنسبة 88.89٪. وأظهر التحليل الحركي ارتفاع ثوابت السرعة وتحسّنًا في كل من عمليات نقل الكتلة والتفاعلات السطحية. وتُبرهن هذه النتائج على إمكانية الجمع بين التحميص التنشيطي والترشيح بالموجات فوق الصوتية. وينطبق توفير الوقت على عملية الترشيح؛ أما التحميص فيظل خطوة معالجة إضافية.

يعمل ترشيح الحمض المحسن بالموجات فوق الصوتية بمعدل اثني عشر مرة أسرع من ترشيح الحمض التقليدي ، بسبب العمل الميكانيكي المفيد لفقاعات التجويف التي تنفجر بالقرب من السطح. تعمل هذه الظاهرة على تحسين خلط المحلول الحمضي ، وبالتالي تعزيز خصائص النقل.
الصورة والدراسة: © كانسياني وآخرون، 2024

طوّر عملية الترشيح بالموجات فوق الصوتية الخاصة بك لتحقيق نسبة استرداد عالية للعناصر الأرضية النادرة

فيما يتعلق بالاستخراج العملي للعناصر الأرضية النادرة، يتبع عملية الترشيح فصل العناصر المذابة وتنقيتها. ولذلك، فإن الكفاءة العالية في عملية الترشيح تمثل نتيجة وسيطة مهمة، وليس مجرد معدل إنتاج منتج نهائي من العناصر الأرضية النادرة. وينبغي أن يشمل تقييم العملية استرداد العناصر في المراحل اللاحقة، واستخدام الكواشف، والطاقة المطلوبة لكل من المعالجة المسبقة والمعالجة بالموجات فوق الصوتية.
تقدم شركة «هيلشر» أجهزة الموجات فوق الصوتية المكتبية ذات الجودة الصناعية ومفاعلات التدفق بالموجات فوق الصوتية عالية التحمل، وذلك لتطوير وتنفيذ عمليات الترشيح المكثفة. ويمكن من خلال اختيار المعدات وإجراء التجارب تحديد السعة المناسبة، وحمولة المواد الصلبة، ووقت البقاء، والتحكم في درجة الحرارة، وذلك بالنسبة لنوع معين من الرماد.
سهولة التوسع إلى أحجام كبيرة: وبمجرد تحديد المعلمات اللازمة لتحقيق الاستخلاص الأمثل، يمكن عندئذ توسيع نطاقها خطيًّا لتناسب أي حجم تجاري من عملية الترشيح.

صور SEM للجسيمات في أوقات مختلفة من الترشيح التقليدي (a-c) والموجات فوق الصوتية (d-f).
الصورة والدراسة: © كانسياني وآخرون، 2024

الأدب / المراجع