Ултразвуково излужване на редкоземни елементи от пепел
Ултразвуковото излужване може да увеличи добива при извличане и да съкрати времето за обработка при извличането на редкоземни елементи от пепел. Като подобрява контакта между частиците пепел и излужващите реагенти, мощният ултразвук ускорява разтварянето и спомага ценните елементи да станат по-достъпни. Изследванията върху летлива пепел от въглища показват потенциала: изследователи съобщават за 97% извличане на итрий, а отделно изследване върху галий и ванадий намалява времето за киселинно излужване от 180 на 20 минути.
Пепелта като вторичен ресурс за редкоземни елементи
Пепелта представлява обещаващ вторичен ресурс за редкоземни елементи (REEs). Остатъците от изгарянето на въглища могат да съдържат итрий и други редкоземни елементи, използвани в електрониката, енергийните технологии и съвременните материали. Извличането на тези елементи от съществуващи потоци и натрупвания на пепел би могло да разнообрази доставките на суровини и да превърне материал, предназначен за обезвреждане, в полезна суровина.
Потенциалът за извличане зависи както от концентрацията на елементите, така и от тяхната достъпност. Пепелта може да съдържа ценни елементи, но при излужване да освобождава само ограничена част от тях, ако обкръжаващата минерална матрица ограничава достъпа на реагентите. Следователно съставът на пепелта, предварителната обработка и химията на излужването трябва да се разглеждат съвместно. Извличането на няколко ценни елемента от една и съща суровина може също да подобри перспективите на даден процес.
Ултразвуковото излужване раздробява частиците пепел, като прави редкоземните елементи достъпни за излужващите реагенти. Като подобрява масообмена между частиците и реагента, ултразвуковата обработка увеличава извличането и същевременно съкращава времето за обработка!
Промишлена инсталация с ултразвукови апарати Hielscher: група ултразвукови апарати с мощност 48kW за излужване на редкоземни елементи от въглищна пепел в поточна линия
Как ултразвукът подобрява излужването на пепел
Мощният ултразвук интензифицира екстракцията твърдо–течно чрез акустична кавитация. В течността се образуват и колапсират микроскопични мехурчета, които генерират локални сили на срязване, микроструи и интензивно смесване. Тези ефекти могат да диспергират агломератите от частици, да почистват откритите повърхности и да подобряват преноса на излужващите реагенти към реакционноспособните участъци. Разтворените химични форми се отвеждат по-бързо, което спомага за поддържане на разтварянето.
При обработката на пепел тези ефекти предлагат няколко практически предимства:
- По-бързо излужване: Подобреният масообмен може да съкрати времето, необходимо за извличане на достъпните метали.
- По-висок добив при извличане: Подобреният контакт с повърхността може да спомогне за освобождаването на материал, който остава недостатъчно излужен при конвенционално смесване.
- Комбиниране с предварителна обработка: Ултразвукът може да интензифицира етапа на излужване, след като активирането е направило устойчивите фази по-достъпни.
- Гъвкаво разработване на процеса: Ултразвуковата обработка може да се разработва и адаптира към различни концентрации на киселината, съдържание на твърда фаза, температури и времена на обработка.
Примери от изследвания: висок добив и по-кратко време за излужване
Следните изследвания илюстрират тези предимства при конкретни експериментални условия. Итрий е редкоземен елемент; галий и ванадий са други ценни метали. Тяхното извличане предоставя допълващи доказателства за ултразвуковата обработка на пепел.
Итрий и ванадий: до 97% и 100% извличане
Masoum et al. (2021) изследват извличането на ванадий и итрий от летлива пепел от въглища с помощта на сярна киселина, водороден пероксид и ултразвук. Изследователите прилагат методологията на повърхността на отклика, за да оптимизират съотношението твърдо–течно и пропорциите на сярната киселина и водородния пероксид. При оптимизираните условия отчетеното извличане достига 100% за ванадий и 97% за итрий.
Модифициран модел на свиващото се ядро показва, че дифузията на веществата контролира скоростта на реакцията. Този резултат подчертава значението на процесите на пренос в изследваната система и подкрепя насочването към масообмена при оптимизацията на процеса. Резултатите показват, че с комбинираната обработка е постижимо високо извличане на итрий, въпреки че отчетените добиви отразяват цялостната система от реагенти и ултразвук.
FESEM изображения на необработена въглищна пепел: (a) вляво, преди излужването на въглищната пепел, (b) след ултразвуково излужване.
Изследване и изображения: ©Masoum et al., 2021
Галий и ванадий: 88,89% по-кратко време за излужване
Zhang et al. (2026) изследват ултразвуково киселинно излужване след активиращо изпичане с натриев карбонат. Оптимизираната предварителна обработка се състои в изпичане при 850°C за 60 минути при масово съотношение на летливата пепел към Na₂CO₃ от 2:1. Последващото ултразвуково киселинно излужване постига високо извличане на галий и ванадий в рамките на 20 минути.
| Параметър | Ултразвуково излужване след активиращо изпичане | Конвенционално излужване |
|---|---|---|
| Време за излужване | 20 min | 180 min |
| Ефективност на излужването на галий | 98,14% | 63,81% |
| Ефективност на излужването на ванадий | 92,32% | 83,56% |
Намаляването от 180 на 20 минути съответства на 88,89% по-кратък етап на излужване. Кинетичният анализ показва повишени скоростни константи и подобрение както на масообмена, така и на реакционните процеси на границата между фазите. Тези резултати демонстрират потенциала на комбинирането на активиращо изпичане с ултразвуково излужване. Спестяването на време се отнася за излужването; изпичането остава допълнителен етап на обработка.
Киселинното излужване, интензифицирано с ултразвук, протича със скорост дванадесет пъти по-висока от тази на конвенционалното киселинно излужване благодарение на благоприятното механично действие на кавитационните мехурчета, които се разрушават близо до повърхността. Това явление подобрява смесването на киселинния разтвор и по този начин подобрява характеристиките на преноса.
Изображение и изследване: © Canciani et al., 2024
2 промишлени ултразвукови апарата UIP4000hdT за обработка при тежки експлоатационни условия
Разработете вашия процес на ултразвуково излужване за високо извличане на редкоземни елементи
При практическото извличане на редкоземни елементи излужването се последва от разделяне и пречистване на разтворените елементи. Следователно високата ефективност на излужването представлява важен междинен резултат, а не добива на краен редкоземен продукт. Оценката на процеса трябва да включва последващото извличане, употребата на реагенти и енергията, необходима както за предварителната обработка, така и за ултразвуковата обработка.
Hielscher предлага настолни ултразвукови апарати от промишлен клас и ултразвукови проточни реактори за тежки експлоатационни условия за разработване и внедряване на интензифицирани процеси на излужване. Изборът на оборудване и изпитванията могат да установят подходящи амплитуда, съдържание на твърда фаза, време на престой и температурен контрол за конкретна пепел.
Лесно мащабиране до големи обеми: След като бъдат установени, параметрите за оптимално извличане могат да бъдат линейно мащабирани до всеки обем на излужване в промишлен мащаб.
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори за смесване, диспергиране, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.
SEM изображения на частици в различни моменти при конвенционално (a–c) и ултразвуково (d–f) излужване.
Изображение и изследване: © Canciani et al., 2024
Често задавани въпроси
Как ултразвукът подобрява излужването на редкоземни елементи от пепел?
Ултразвукът генерира акустична кавитация в суспензията за излужване. Колапсиращите мехурчета създават интензивно локално смесване, сили на срязване и микроструи, които подобряват контакта между частиците пепел и излужващия разтвор. Тези ефекти разкриват реакционноспособни повърхности и ускоряват масообмена, като спомагат за увеличаване на добива при извличане и съкращаване на времето за излужване.
Какви редкоземни елементи и ценни метали могат да бъдат излужени от пепел?
В зависимост от произхода и минералния си състав пепелта може да бъде излужвана за извличане на редкоземни елементи, включително лантан (La), церий (Ce), неодим (Nd), диспрозий (Dy), итрий (Y) и скандий (Sc). Летливата пепел от въглища е потенциален източник на тези елементи.
Други ценни метали включват галий (Ga) и ванадий (V) в подходяща въглищна пепел, както и мед (Cu) и цинк (Zn) в пепел от изгаряне на битови отпадъци.
Защо да използвате ултразвуков апарат със сонда за тежки експлоатационни условия при излужване на пепел?
Ултразвуковият апарат със сонда въвежда ултразвукова енергия директно в суспензията чрез сонотрод (ултразвукова сонда/прът). Това позволява интензивна обработка на смеси твърдо–течно и осигурява регулируеми условия на обработка. Промишленото оборудване на Hielscher за ултразвукова обработка позволява интегриране в системи за излужване, при които контролираното подаване на енергия и надеждната работа са от съществено значение. Конфигурацията трябва да съответства на състава на суспензията, съдържанието на твърда фаза и необходимия производствен капацитет.
Ето няколко приложения на Hielscher за излужване:
Могат ли ултразвуковите апарати Hielscher да работят непрекъснато?
Да. Промишлените ултразвукови апарати Hielscher, като моделите от UIP500hdT (500W) до UIP16000hdT (16 000W), са проектирани за непрекъсната работа 24/7. Те могат да бъдат конфигурирани за периодична обработка, рециркулация или непрекъсната обработка през ултразвукова проточна клетка. За излужване на пепел инсталацията се интегрира с изпомпването на суспензията, температурния контрол и избраната химия на излужване.
Може ли ултразвуковото излужване да бъде мащабирано до промишлено производство?
Да, ултразвуковите апарати Hielscher позволяват линейно мащабиране. Hielscher предлага оборудване за лабораторни изпитвания, пилотна обработка и промишлено производство, включително процесори с мощност 16 kW, които могат да се комбинират в групи. Мащабирането започва с изпитвания за установяване на подходящи амплитуда, подавана енергия, температура и време на престой. Тези резултати осигуряват основата за избор на капацитета на реактора и валидиране на резултатите от извличането при необходимия производствен капацитет.
Заменя ли ултразвукът киселините или активиращото изпичане?
Ултразвукът интензифицира процеса на излужване, докато химичните реагенти осигуряват химичните реакции, необходими за разтваряне на целевите елементи. Някои видове пепел може също да изискват предварителна обработка, за да станат устойчивите минерални фази достъпни.
Кои параметри на процеса могат да бъдат наблюдавани?
Всички ултразвукови апарати Hielscher с мощност от 200 вата нагоре поддържат наблюдение и автоматично записване на амплитудата, мощността, времето за обработка и температурата, като измерването на налягането е достъпно чрез допълнителен сензор. Тези данни помагат за сравняване на изпитванията и надеждно възпроизвеждане на работните условия. Ефективността на извличане на редкоземните елементи трябва да се определя отделно чрез химичен анализ на изходната суровина, излужващия разтвор след обработката и останалата твърда фаза.
Може ли ултразвуковото оборудване да се използва с киселинни, абразивни суспензии от пепел?
Hielscher Ultrasonics предлага решения за ултразвукова обработка на киселинни, абразивни суспензии от пепел. Сонотродите, проточните клетки, уплътненията и другите компоненти в контакт с течността трябва да бъдат избрани съобразно състава на киселината, концентрацията, температурата и абразивността на частиците.
Означава ли по-високата ефективност на излужването по-високо крайно извличане на редкоземни елементи?
Да, по-високата ефективност на излужването означава, че по-голяма част от целевия елемент се прехвърля в течната фаза. Получаването на използваем редкоземен продукт изисква също последващо разделяне и пречистване. Общото извличане зависи от ефективността на целия процес.
Как да избера ултразвуков апарат Hielscher за моя процес?
Започнете с представителни проби от пепел и определете целевите елементи, концентрацията на суспензията, химията на излужването, обема на партидата или дебита и желания добив при извличане. Ние в Hielscher можем да ви помогнем да изберете оборудване за изпитвания за осъществимост и последващо линейно мащабиране. Нашият технически център и лаборатория за процеси също предлагат изпитвания в подкрепа на избора на оборудване.
Литература / Източници
- 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.
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори от лабораторен до промишлен размер.