Ултразвуково излужване на благородни метали

Мощният ултразвук е ефективна техника за извличане на метали, като благородни метали и редкоземни елементи. Този процес на подпомагана с ултразвук екстракция твърдо вещество–течност е известен като соноизлужване, излужване или промиване. Здравите промишлени ултразвукови апарати могат лесно да бъдат инсталирани за излужване на редкоземни елементи от руди, за обработка на минни пулпи с цел по-пълно извличане или за отделяне на метали с висока стойност (напр. Cu, Zn, Ni) от метали с по-ниска стойност.

Ултразвуковото излужване подпомага реакцията чрез масопренос и разтваряне, така че се получават по-високи добиви за по-кратко време на екстракция.
Основните предимства на ултразвуковото излужване са:

• по-висок добив
• по-пълно излужване
• намален разход на реагенти
• по-меки условия
• лесно изпитване на осъществимостта
• линейно увеличаване на мащаба
• лесно инсталиране на ултразвукови системи за пълномащабно промишлено производство
• много здрави ултразвукови апарати за потоци с голям обем

Ултразвуково излужване на благородни метали: по-бърза екстракция чрез кавитационна химия

Извличането на благородни метали, като злато, сребро, платина, паладий и родий, е основополагащо за съвременната металургия и рециклирането – особено при преработката на руди, концентрати и вторични ресурси, като електронен скрап и каталитични конвертори. Въпреки че конвенционалното излужване е добре утвърдено, то често е ограничено от бавен масопренос, повърхностна пасивация, непълно освобождаване на ценните фази и висок разход на реагенти.
Ултразвуковото излужване преодолява много от тези ограничения чрез въвеждане на ултразвук с висок интензитет в пулпата за излужване, като значително ускорява кинетиката на реакциите чрез явление, известно като акустична кавитация.

Основният механизъм: акустична кавитация

Когато ултразвук с висока мощност се предава в течност, той създава микроскопични кавитационни мехурчета, които бързо се образуват и колабират. Този колапс създава екстремни локални условия, включително:

• интензивно микросмесване и сили на срязване
• високоскоростни микроструи, насочени към твърдите повърхности
• локални горещи точки (много високи температури и налягания за микросекунди)

Въпреки че тези ефекти възникват в микроскопичен мащаб, те оказват силно влияние върху макроскопичния процес на излужване, като непрекъснато обновяват реакционноспособната повърхност и ускоряват преноса на реагенти към и от твърдите частици.

Киселинното излужване, усилено с ултразвук, протича дванадесет пъти по-бързо от конвенционалното киселинно излужване благодарение на благоприятното механично действие на кавитационните мехурчета, които се пукат в близост до повърхността. Това явление подобрява смесването на киселинния разтвор и по този начин подобрява транспортните свойства.
Изображение и изследване: © Canciani et al., 2024

Защо ултразвукът подобрява излужването на благородни метали

В повечето системи за излужване етапът, който ограничава скоростта, не е самата химична реакция, а преносът на реагентите през гранични слоеве, пори или пасивиращи повърхностни филми. Ултразвуковата кавитация подобрява ефективността на излужването чрез няколко синергични ефекта:

1. Подобрен масопренос
   Ултразвукът намалява дебелината на неподвижния дифузионен слой около твърдите частици. Това позволява на излужващите реагенти (напр. цианид, тиосулфат, хлорид, йодид, тиокарбамид или киселинни системи) да достигат по-бързо до металосъдържащата повърхност, докато разтворените метални комплекси се отвеждат по-ефективно.
2. Активиране на повърхността на частиците
   Кавитационните микроструи и ударните вълни непрекъснато ерозират, почистват и награпавяват повърхностите на частиците. Това разкрива свежи минерални фази и увеличава ефективната реакционноспособна площ – особено важно при труднообработваеми руди или частици с покритие.
3. Разрушаване на пасивиращите слоеве
   Много минерали, съдържащи благородни метали, образуват повърхностни слоеве по време на излужването (напр. оксиди, сулфати, елементарна сяра или филми от силициев диоксид). Ултразвукът може физически да разруши тези бариери, като възстанови достъпа на излужващия реагент до намиращата се под тях метална фаза.
4. Подобрено проникване в порести твърди материали
   При концентрати, катализатори и частици от електронни отпадъци ултразвукът подпомага принудителното проникване на течността в порите и микропукнатините, като подобрява достъпа на реагентите до включените в тях благородни метали.

Разпределения на частиците по размер след ултразвуково и конвенционално излужване
Изображение и изследване: © Canciani et al., 2024

Приложения: от руди до извличане на суровини от градски отпадъци

Ултразвуковото излужване се изследва все по-активно както за първични, така и за вторични ресурси:

• Злато и сребро
  Доказано е, че мощният ултразвук ускорява излужването на злато с цианидни и алтернативни излужващи реагенти чрез подобряване на преноса и премахване на ефектите на пасивацията. Той е приложим и за извличане на сребро от руди и промишлени остатъци.
• Метали от платиновата група (PGMs)
  Извличането на платина, паладий и родий – особено от изразходвани каталитични конвертори – често разчита на хлоридни или киселинни системи за излужване. Ултразвукът ускорява кинетиката на разтваряне чрез интензифициране на повърхностните реакции и подобряване на разрушаването на сложни керамични/метални матрици.
• Електронен скрап
  Печатните платки и електронните компоненти съдържат ценни благородни метали, но създават значителни дифузионни бариери поради наличието на полимери, оксиди и структури от различни материали. Ултразвуковата обработка подобрява равномерността на излужването и може да намали необходимото време за излужване.
• Редкоземни елементи от въглищна пепел
  Въглищната пепел може да съдържа ценни метали и редкоземни елементи, често свързани в минерални фази или в стъкловидна алумосиликатна матрица. Ултразвуковата обработка подобрява контакта между частиците пепел и излужващия разтвор, което може да повиши ефективността на екстракцията и да съкрати времето за излужване.
  Прочетете повече за ултразвуковото излужване на редкоземни елементи от пепел!

Основни предимства на процеса

От гледна точка на инженерните аспекти на процеса ултразвуковото излужване предлага няколко измерими предимства:

• по-кратко време за излужване благодарение на ускорената кинетика
• по-високи добиви при екстракция поради подобрения достъп до повърхността
• по-нисък разход на реагенти в много системи (необходим е по-малък излишък от излужващ реагент)
• подобрена възпроизводимост благодарение на по-доброто диспергиране и смесване
• потенциално по-ниска работна температура, тъй като ултразвукът компенсира по-бавната термична кинетика

Съображения относно процеса и увеличаване на мащаба

Успешното ултразвуково излужване зависи в голяма степен от проектирането на процеса. Критичните параметри включват:

• плътност на ултразвуковата мощност и амплитуда
• концентрация на пулпата и разпределение на частиците по размер
• геометрия на реактора и условия на протичане
• контрол на температурата
• избор на химична система за излужване (киселинна, алкална, хлоридна и др.)

Важно е да се отбележи, че внедряването в промишлен мащаб изисква ултразвукови реактори с висока мощност от сондов тип, тъй като ултразвуковите вани обикновено не предават достатъчно енергия в гъсти пулпи за излужване. Ултразвуковите проточни клетки могат да бъдат интегрирани в непрекъснати схеми за излужване, което позволява работа с възможност за увеличаване на мащаба. Високопроизводителните ултразвукови апарати на Hielscher са създадени за обработка на големи обеми при тежки условия – като увеличават добивите на излужените метали и същевременно намаляват времето за обработка и въздействието върху околната среда.

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати на Hielscher са добре известни с най-високото си качество и стандарти за проектиране. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени инсталации. Ултразвуковите апарати на Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни среди.

Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високопроизводителни ултразвукови апарати, които се отличават с най-съвременна технология и удобство при работа. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher съответстват на CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Литература / Източници

• 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.