نض المعادن الثمينة بالموجات فوق الصوتية

تُعد الموجات فوق الصوتية عالية القدرة تقنية فعالة لاستخلاص المعادن، مثل المعادن الثمينة والعناصر الأرضية النادرة. وتُعرف عملية الاستخلاص هذه من الصلب إلى السائل بمساعدة الموجات فوق الصوتية بالنض بالموجات فوق الصوتية أو النض أو الغسل. ويمكن تركيب أجهزة المعالجة الصناعية المتينة بالموجات فوق الصوتية بسهولة لنض العناصر الأرضية النادرة من الخامات، أو لمعالجة معلقات التعدين لتحقيق استرداد أكثر اكتمالًا، أو لفصل المعادن عالية القيمة (مثل Cu, Zn, Ni) عن المعادن الأقل قيمة.

يعزز النض بالموجات فوق الصوتية التفاعل من خلال انتقال الكتلة والإذابة، مما يتيح الحصول على مردود أعلى في وقت استخلاص أقصر.
وتتمثل الفوائد الرئيسية للنض بالموجات فوق الصوتية فيما يلي:

• مردود أعلى
• نض أكثر اكتمالًا
• استهلاك أقل للكواشف
• ظروف أقل شدة
• اختبارات جدوى بسيطة
• توسيع خطي للنطاق
• سهولة تركيب أنظمة الموجات فوق الصوتية على النطاق التجاري الكامل
• أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية شديدة المتانة للتدفقات ذات الأحجام الكبيرة

نض المعادن الثمينة بالموجات فوق الصوتية: استخلاص أسرع من خلال كيمياء التجويف

يُعد استرداد المعادن الثمينة، مثل الذهب والفضة والبلاتين والبلاديوم والروديوم، ركيزة أساسية في علم الفلزات الحديث وإعادة التدوير – ولا سيما في معالجة الخامات والمركزات والموارد الثانوية، مثل الخردة الإلكترونية والمحولات الحفازة. ورغم أن النض التقليدي عملية راسخة، فإنه غالبًا ما يكون محدودًا بسبب بطء انتقال الكتلة، وتخميل السطح، وعدم اكتمال تحرير الأطوار القيّمة، وارتفاع استهلاك الكواشف.
يعالج النض بالموجات فوق الصوتية العديد من هذه العوائق عبر إدخال موجات فوق صوتية عالية الشدة في معلق النض، مما يعزز حركية التفاعل بدرجة كبيرة من خلال ظاهرة تُعرف بالتجويف الصوتي.

الآلية الأساسية: التجويف الصوتي

عند اقتران الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بسائل، تتولد فقاعات تجويف مجهرية تتشكل وتنهار بسرعة. ويولد هذا الانهيار ظروفًا موضعية شديدة، تشمل:

• مزجًا دقيقًا مكثفًا وقوى قص
• نفاثات دقيقة عالية السرعة موجهة نحو الأسطح الصلبة
• بؤرًا ساخنة موضعية (درجات حرارة وضغوطًا مرتفعة جدًا لمدة ميكروثوانٍ)

رغم أن هذه التأثيرات تحدث على نطاق مجهري، فإنها تؤثر بقوة في عملية النض على النطاق العياني، من خلال التجديد المستمر للسطح المتفاعل وتسريع انتقال الكواشف إلى الجسيمات الصلبة ومنها.

يجري النض الحمضي المعزز بالموجات فوق الصوتية بمعدل أسرع باثنتي عشرة مرة من النض الحمضي التقليدي، بفضل التأثير الميكانيكي المفيد لانفجار فقاعات التجويف بالقرب من السطح. وتحسن هذه الظاهرة مزج المحلول الحمضي، مما يعزز خصائص الانتقال.
الصورة والدراسة: © Canciani et al., 2024

لماذا تحسن الموجات فوق الصوتية نض المعادن الثمينة

في معظم أنظمة النض، لا تتمثل الخطوة المحددة للمعدل في التفاعل الكيميائي نفسه، بل في انتقال المتفاعلات عبر الطبقات الحدية أو المسام أو الأغشية السطحية المُخمِّلة. ويحسن التجويف بالموجات فوق الصوتية كفاءة النض من خلال عدة تأثيرات تآزرية:

1. تعزيز انتقال الكتلة
   تقلل الموجات فوق الصوتية سماكة طبقة الانتشار الراكدة المحيطة بالجسيمات الصلبة. ويتيح ذلك لمواد النض (مثل السيانيد أو الثيوسلفات أو الكلوريد أو اليوديد أو الثيويوريا أو الأنظمة الحمضية) الوصول إلى السطح الحامل للمعادن بسرعة أكبر، مع إزالة المعقدات المعدنية المذابة بكفاءة أعلى.
2. تنشيط أسطح الجسيمات
   تؤدي النفاثات الدقيقة وموجات الصدمة الناتجة عن التجويف إلى تآكل أسطح الجسيمات وتنظيفها وتخشينها باستمرار. ويكشف ذلك أطوارًا معدنية جديدة ويزيد المساحة الفعالة المتفاعلة – وهو أمر بالغ الأهمية خصوصًا في الخامات المستعصية أو الجسيمات المغلفة.
3. تفكيك طبقات التخميل
   تُكوِّن العديد من المعادن الحاملة للمعادن الثمينة طبقات سطحية أثناء النض (مثل الأكاسيد أو الكبريتات أو الكبريت العنصري أو أغشية السيليكا). ويمكن للموجات فوق الصوتية تفكيك هذه الحواجز ميكانيكيًا، مما يعيد إتاحة وصول عامل النض إلى الطور المعدني الكامن تحتها.
4. تحسين النفاذ إلى المواد الصلبة المسامية
   في المركزات والمحفزات وجسيمات النفايات الإلكترونية، تساعد الموجات فوق الصوتية على دفع السائل إلى المسام والشقوق الدقيقة، مما يحسن وصول الكواشف إلى المعادن الثمينة المطمورة.

توزيعات أحجام الجسيمات بعد النض بالموجات فوق الصوتية والنض التقليدي
الصورة والدراسة: © Canciani et al., 2024

التطبيقات: من الخامات إلى التعدين الحضري

تتزايد الدراسات التي تتناول النض بالموجات فوق الصوتية لكل من الموارد الأولية والثانوية:

• الذهب والفضة
  ثبت أن الموجات فوق الصوتية عالية القدرة تسرع نض الذهب باستخدام السيانيد ومواد النض البديلة، من خلال تحسين الانتقال وإزالة تأثيرات التخميل. وهي مفيدة أيضًا لاسترداد الفضة من الخامات والمخلفات الصناعية.
• معادن مجموعة البلاتين (PGMs)
  غالبًا ما يعتمد استرداد البلاتين والبلاديوم والروديوم – ولا سيما من المحولات الحفازة المستهلكة – على أنظمة نض قائمة على الكلوريد أو أنظمة حمضية. وتعزز الموجات فوق الصوتية حركية الإذابة عبر تكثيف التفاعلات السطحية وتحسين تفكيك المصفوفات المعقدة من السيراميك والمعادن.
• الخردة الإلكترونية
  تحتوي لوحات الدوائر المطبوعة والمكونات الإلكترونية على معادن ثمينة قيّمة، لكنها تشكل حواجز قوية أمام الانتشار بسبب البوليمرات والأكاسيد والبنى متعددة المواد. وتحسن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تجانس النض ويمكن أن تقلل زمن النض المطلوب.
• العناصر الأرضية النادرة من رماد الفحم
  يمكن أن يحتوي رماد الفحم على معادن قيّمة وعناصر أرضية نادرة، غالبًا ما تكون مرتبطة ضمن أطوار معدنية أو مصفوفة زجاجية من سيليكات الألومنيوم. وتحسن المعالجة بالموجات فوق الصوتية التلامس بين جسيمات الرماد ومحلول النض، مما يمكن أن يعزز كفاءة الاستخلاص ويقصر زمن النض.
  اقرأ المزيد عن نض العناصر الأرضية النادرة من الرماد بالموجات فوق الصوتية!

المزايا الرئيسية للعملية

من منظور هندسة العمليات، يوفر النض بالموجات فوق الصوتية عدة فوائد قابلة للقياس:

• أزمنة نض أقصر بفضل تسريع الحركية
• مردود استخلاص أعلى بفضل تحسين الوصول إلى السطح
• استهلاك أقل للكواشف في العديد من الأنظمة (حاجة أقل إلى كميات فائضة من مادة النض)
• تحسين قابلية تكرار النتائج بفضل تحسين التشتيت والمزج
• إمكانية خفض درجة حرارة التشغيل لأن الموجات فوق الصوتية تعوض بطء الحركية الحرارية

اعتبارات العملية وتوسيع النطاق

يعتمد نجاح النض بالموجات فوق الصوتية بدرجة كبيرة على تصميم العملية. وتشمل المعلمات الحاسمة:

• كثافة قدرة الموجات فوق الصوتية وسعة الاهتزاز
• تركيز المعلق وتوزيع أحجام الجسيمات
• هندسة المفاعل وظروف التدفق
• التحكم في درجة الحرارة
• اختيار كيمياء النض (حمضية أو قلوية أو قائمة على الكلوريد، إلخ)

يتطلب التنفيذ على النطاق الصناعي مفاعلات بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة من نوع المسبار، إذ إن أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع الحمام لا توصل عادةً طاقة كافية إلى معلقات النض الكثيفة. ويمكن دمج خلايا التدفق بالموجات فوق الصوتية المركبة ضمن خط المعالجة في دوائر النض المستمرة، مما يتيح تشغيلًا قابلًا لتوسيع النطاق. وصُممت أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من Hielscher لمعالجة أحجام كبيرة في ظروف تتطلب أداءً عاليًا – مما يزيد مردود المعادن المستخلصة بالنض مع تقليل زمن المعالجة والأثر البيئي.

التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة مصنوعة في ألمانيا

تشتهر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بأعلى معايير الجودة والتصميم. وتتيح المتانة وسهولة التشغيل دمج أجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بسلاسة في المنشآت الصناعية. وتتعامل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات المتطلبة.

Hielscher Ultrasonics شركة حاصلة على شهادة ISO، وتولي اهتمامًا خاصًا بأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. وبالطبع، تتوافق أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مع CE وتلبي متطلبات UL وCSA وRoHs.

المؤلفات / المراجع

• 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.
• I. De La Calle, N. Cabaleiro, M. Costas, F. Pena, S. Gil, I. Lavilla, C. Bendicho (2011):
  Ultrasound-assisted extraction of gold and silver from environmental samples using different extractants followed by electrothermal-atomic absorption spectrometry. Microchemical Journal, Volume 97, Issue 2, 2011. 93-100.