Ултразвуково извличане на редкоземни елементи от пепел
Ултразвуковото излугване може да повиши добива при извличането и да съкрати времето за преработка при извличането на редкоземни елементи от пепел. Чрез подобряване на контакта между частиците пепел и излужващите агенти, мощният ултразвук ускорява разтварянето и спомага за по-лесното извличане на ценните елементи. Проучвания върху пепелта от изгаряне на въглища демонстрират този потенциал: изследователите отчитат 97% извличане на итрий, докато в друго проучване върху галий и ванадий времето за киселинно излугване е намалено от 180 на 20 минути.
Пепелта като вторичен ресурс за редкоземни елементи
Пепелта представлява обещаващ вторичен източник на редкоземни елементи (РЗЕ). 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 съществуващите потоци и депа за пепел би могло да разнообрази доставките на суровини и да превърне отпадъчния материал в полезна суровина.
Потенциалът за извличане зависи както от концентрацията на елементите, така и от достъпността им. Пепелта може да съдържа ценни елементи, но при излугването да освободи само ограничена част от тях, ако околната минерална матрица ограничава достъпа на реагентите. Следователно съставът на пепелта, предварителната обработка и химичният процес на излугване трябва да се разглеждат в комплексна перспектива. Извличането на няколко ценни елемента от един и същ изходен материал също може да подобри перспективите на даден процес.
Ултразвуковото излугване раздробява частиците пепел, като по този начин прави редкоземните елементи достъпни за излугващите реагенти. Чрез подобряване на масообмена между частиците и реагента ултразвуковата обработка увеличава степента на извличане, като същевременно съкращава времето за обработка!
Промишлено внедряване на ултразвукови апарати на Hielscher: клъстер от ултразвукови апарати с мощност 48 kW за инлайн извличане на редкоземни елементи от въглищни пепели
Как ултразвукът подобрява извличането на пепел
Мощният ултразвук усилва екстракцията от твърдо в течно състояние чрез акустична кавитация. В течността се образуват и разрушават микроскопични мехурчета, което генерира локални срязващи сили, микроструи и интензивно смесване. Тези ефекти могат да разпръскват агломерати от частици, да почистват откритите повърхности и да подобряват транспорта на извличащите агенти към реактивните участъци. Разтворените вещества се отнасят по-бързо, което спомага за поддържането на процеса на разтваряне.
При преработката на пепел тези ефекти предлагат редица практически предимства:
- По-бързо извличане: Подобреният масов пренос може да съкрати времето, необходимо за извличането на достъпните метали.
- По-високи добиви при извличането: Подобреният контакт с повърхността може да спомогне за освобождаването на материал, който при обичайното смесване остава недостатъчно излужен.
- Комбинация с предварителна обработка: Ултразвукът може да ускори етапа на извличане, след като активацията е направила устойчивите фази по-достъпни.
- Гъвкаво разработване на процеси: Ултразвуковата обработка може да бъде адаптирана към различни концентрации на киселина, съдържание на твърди вещества, температура и продължителност на обработката.
Примери от научни изследвания: Високи добиви и по-кратко време на излугване
Следващите изследвания илюстрират тези предимства при конкретни експериментални условия. Итрият е редкоземен елемент; галият и ванадият са други ценни метали. Извличането им предоставя допълнителни доказателства в полза на ултразвуковата обработка на пепелта.
Итрий и ванадий: извличане до 97 % и 100 %
Масум и др. (2021) проучиха извличането на ванадий и итрий от въглищна пепел с помощта на сярна киселина, водороден пероксид и ултразвук. Изследователите приложиха методологията на повърхността на отклик, за да оптимизират съотношението между твърдото и течното вещество, както и пропорциите на сярната киселина и водородния пероксид. При оптимизираните условия отчетената степен на извличане достигна 100% за ванадия и 97% за итрия.
Модифициран модел с свиващо се ядро показа, че скоростта на реакцията се определя от дифузията на масата. Това откритие подчертава значението на транспортните процеси в изследваната система и подкрепя идеята за фокусиране върху масообмена при оптимизирането на процеса. Резултатите показват, че чрез комбинираната обработка може да се постигне висока степен на извличане на итрий, въпреки че отчетените добиви отразяват пълното използване на реагента и ултразвуковата система.
FESEM изображения на сурова въглищна пепел: (а) преди излугването на въглищната пепел, (б) след ултразвуково излугване.
Изследване и изображения: ©Masoum и др., 2021 г.
Галий и ванадий: 88,89 % по-кратко време за излугване
Zhang и др. (2026) проучиха ултразвуковото излугване с киселина след обжарване с активиране с натриев карбонат. Оптимизираната предварителна обработка се състоеше от изпичане при 850 °C в продължение на 60 минути, като се използваше масово съотношение между пепелта от термично изгаряне и Na₂CO₃ от 2:1. Последващото ултразвуково излугване с киселина постигна висока степен на извличане на галий и ванадий в рамките на 20 минути.
| Параметър | Ултразвуково извличане след активиращо изпичане | Традиционно излугване |
|---|---|---|
| Време за излугване | Двадесет минути | 180 минути |
| Ефективност на извличането на галий | 98,14 % | 63,81 % |
| Ефективност на извличането на ванадий | 92,32 % | 83,56 % |
Намаляването от 180 на 20 минути съответства на съкращаване на етапа на излугване с 88,89 %. Кинетичният анализ показа повишени скоростни константи и ускоряване както на процесите на масов пренос, така и на междуфазовите реакции. Тези резултати демонстрират потенциала на комбинирането на активиращо изпичане с ултразвуково излугване. Спестяването на време се отнася за излугването; изпичането остава допълнителен етап от обработката.
Ултразвуково подобреното киселинно извличане работи със скорост дванадесет пъти по-бързо от конвенционалното киселинно извличане, поради благоприятното механично действие на кавитационните мехурчета, спукващи се близо до повърхността. Това явление подобрява смесването на киселинни разтвори, като по този начин подобрява транспортните свойства.
Изображение и проучване: © Canciani et al., 2024
2 промишлени ултразвукови апарата UIP4000hdT за обработка при тежки условия
Разработете свой процес на ултразвуково извличане за висока степен на извличане на редкоземни елементи
При практическото извличане на редкоземни елементи след излужването се извършва разделяне и пречистване на разтворените елементи. Поради това високата ефективност на излужването представлява важен междинен резултат, а не добивът на крайния продукт от редкоземни елементи. Оценката на процеса трябва да включва извличането в последващите етапи, използването на реагенти и енергията, необходима както за предварителната обработка, така и за ултразвуковата обработка.
Hielscher предлага настолни ултразвукови апарати от промишлен клас и ултразвукови реактори с висока производителност за разработване и внедряване на интензифицирани процеси на излугване. Изборът на оборудване и провеждането на изпитания позволяват да се определят подходящата амплитуда, натоварването с твърди вещества, времето на престой и контролът на температурата за конкретен вид пепел.
Лесно мащабиране до големи обеми: След като бъдат определени параметрите за оптимално извличане, те могат да бъдат линейно увеличени до какъвто и да е промишлен обем на излугване.
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори за смесване, дисперсия, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и индустриален мащаб.
SEM изображения за частици в различни периоди на конвенционално (a–c) и ултразвуково (d–f) извличане.
Изображение и проучване: © Canciani et al., 2024
Често задавани въпроси
Как ултразвукът подобрява извличането на редкоземни елементи от пепелта?
Ултразвукът предизвиква акустична кавитация в излужващата суспензия. Разпадащите се мехурчета предизвикват интензивно локално смесване, срязващи сили и микроструи, които подобряват контакта между частиците пепел и излужващия разтвор. Тези ефекти разкриват реактивни повърхности и ускоряват масообмена, като по този начин спомагат за повишаване на добива при екстракцията и съкращаване на времето за излужване.
Какви редкоземни елементи и ценни метали могат да бъдат извлечени от пепелта?
В зависимост от произхода и минералния си състав, пепелта може да бъде подложена на излугване за извличане на редкоземни елементи, включително лантан (La), церий (Ce), неодим (Nd), диспросий (Dy), итрий (Y) и скандий (Sc). Въглищната пепел е потенциален източник на тези елементи.
Други ценни метали са галий (Ga) и ванадий (V) в подходящи видове въглищни пепели, както и мед (Cu) и цинк (Zn) в пепелите от изгарянето на битови отпадъци.
Защо да се използва ултразвуков апарат с високопроизводителна сонда за извличане на пепел?
Ултразвуковият апарат със сонда подава ултразвукова енергия директно в суспензията чрез сонотрод (ултразвукова сонда/пръчка). Това позволява интензивна обработка на смеси от твърди и течни вещества и осигурява регулируеми условия на обработка. Промишленото оборудване за ултразвукова обработка на Hielscher поддържа интегриране в цикли за излугване, където контролираният приток на енергия и надеждната работа са от съществено значение. Конфигурацията трябва да съответства на състава на суспензията, съдържанието на твърди частици и необходимата производителност.
Ето няколко примера за приложение на технологията за извличане на Hielscher:
Могат ли ултразвуковите апарати на Hielscher да работят непрекъснато?
Да. Промишлените ултразвукови апарати на Hielscher, като например моделите от UIP500hdT (500 W) до UIP16000hdT (16 000 W), са проектирани за непрекъсната работа 24 часа в денонощието, 7 дни в седмицата. Те могат да бъдат конфигурирани за партидна обработка, рециркулация или непрекъсната обработка чрез ултразвукова проточна клетка. За извличане на пепел инсталацията е интегрирана в помпената система за каша, контрола на температурата и избраната химична смес за извличане.
Може ли ултразвуковото извличане да се приложи в промишленото производство?
Да, ултразвуковите апарати на Hielscher позволяват линейно мащабиране. Hielscher предлага оборудване за лабораторни изпитания, пилотна обработка и промишлено производство, включително 16 kW процесори, които могат да се комбинират в клъстери. Мащабирането започва с изпитания за определяне на подходящата амплитуда, енергиен приток, температура и време на престой. Тези резултати служат като основа за избор на капацитета на реактора и валидиране на ефективността на екстракцията при необходимата производителност.
Ултразвукът замества ли киселините или печенето за активиране?
Ултразвукът ускорява процеса на извличане, докато химичните реагенти осигуряват необходимите химични условия за разтваряне на целевите елементи. При някои видове пепел може да се наложи и предварителна обработка, за да се осигури достъп до устойчивите минерални фази.
Кои параметри на процеса могат да се наблюдават?
Всички ултразвукови апарати на Hielscher с мощност от 200 вата нагоре поддържат мониторинг и автоматично записване на амплитудата, мощността, продължителността на обработката и температурата, като измерването на налягането е възможно чрез допълнителен сензор. Тези данни помагат за сравняване на експериментите и за надеждно възпроизвеждане на работните условия. Ефективността на извличането на редкоземни елементи трябва да се определи отделно чрез химичен анализ на суровината, излугата и оставащите твърди вещества.
Може ли ултразвуковото оборудване да се използва с кисели, абразивни пепелни суспензии?
Hielscher Ultrasonics предлага решения за ултразвукова обработка на киселинни, абразивни суспензии от пепел. Сонотродите, проточните клетки, уплътненията и другите компоненти, които влизат в контакт с течността, трябва да се подбират в зависимост от състава на киселината, нейната концентрация, температурата и абразивността на частиците.
Означава ли по-високата ефективност на излугването по-висока крайна степен на извличане на редкоземни елементи?
Да, по-високата ефективност на излугването означава, че по-голяма част от целевия елемент се прехвърля в течната фаза. Производството на годен за употреба продукт от редки земни елементи изисква също така последващо разделяне и пречистване. Общото извличане зависи от ефективността на целия процес.
Как да избера ултразвуков апарат на Hielscher за моя производствен процес?
Започнете с представителни проби от пепел и определете целевите елементи, концентрацията на суспензията, химичния състав на излугването, обема на партидата или дебита, както и желания добив от екстракцията. Ние от Hielscher можем да ви помогнем при избора на оборудване за проучвания за осъществимост и последващо линейно мащабиране. Нашият технически център и технологична лаборатория също предлагат изпитания в подкрепа на избора на оборудване.
Литература / Препратки
- 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 високоефективни ултразвукови хомогенизатори от лаборатория да индустриален размер.