Ultrazvučno luženje elemenata rijetkih zemalja iz pepela
Ultrazvučno luženje može povećati prinos ekstrakcije i skratiti vrijeme obrade pri izdvajanju elemenata rijetkih zemalja iz pepela. Poboljšanjem kontakta između čestica pepela i sredstava za luženje, snažni ultrazvuk ubrzava otapanje i pomaže da vrijedni elementi postanu pristupačniji. Studije o letećem pepelu iz uglja pokazuju taj potencijal: istraživači su prijavili ekstrakciju itrija od 97%, dok je zasebna studija o galiju i vanadiju skratila vrijeme kiselinskog luženja sa 180 na 20 minuta.
Pepeo kao sekundarni izvor elemenata rijetkih zemalja
Pepeo predstavlja obećavajući sekundarni izvor elemenata rijetkih zemalja (REE). Ostaci sagorijevanja uglja mogu sadržavati itrij i druge rijetke zemlje koje se koriste u elektronici, energetskim tehnologijama i naprednim materijalima. Izdvajanje tih elemenata iz postojećih tokova i odlagališta pepela moglo bi diverzificirati zalihe sirovina i pretvoriti otpadni materijal u korisnu sirovinu.
Potencijal ekstrakcije ovisi i o koncentraciji elemenata i o njihovoj pristupačnosti. Pepeo može sadržavati vrijedne elemente, a ipak otpustiti samo ograničen udio tokom luženja ako okolna mineralna matrica ograničava pristup reagensa. Stoga se sastav pepela, prethodna obrada i hemija luženja moraju razmatrati zajedno. Izdvajanje nekoliko vrijednih elemenata iz iste sirovine može također poboljšati izglede procesa.
Ultrazvučno luženje usitnjava čestice pepela i čini rijetke zemlje dostupnima reagensima za luženje. Poboljšanjem prijenosa mase između čestica i reagensa, ultrazvučna obrada (sonikacija) povećava iskorištenje uz istovremeno skraćenje vremena obrade!
Industrijska instalacija Hielscher sonikatora: klaster sonikatora od 48kW za inline luženje elemenata rijetkih zemalja iz uglјenog pepela
Kako ultrazvuk poboljšava luženje pepela
Snažni ultrazvuk intenzivira ekstrakciju čvrsto–tečno putem akustične kavitacije. Mikroskopski mjehurići nastaju i kolabiraju u tečnosti, stvarajući lokalne smične sile, mikromlazeve i intenzivno miješanje. Ti efekti mogu razbiti aglomerate čestica, očistiti izložene površine i poboljšati transport sredstava za luženje do reaktivnih mjesta. Otopljene vrste se brže odvode, što pomaže održavanju otapanja.
U obradi pepela ti efekti nude nekoliko praktičnih prednosti:
- Brže luženje: Pojačan prijenos mase može skratiti vrijeme potrebno za ekstrakciju dostupnih metala.
- Veći prinos ekstrakcije: Poboljšan kontakt površina može pomoći u oslobađanju materijala koji ostaje nedovoljno izlužen pri konvencionalnom miješanju.
- Kombinacija s prethodnom obradom: Ultrazvuk može intenzivirati fazu luženja nakon što aktivacija učini otporne faze pristupačnijima.
- Fleksibilan razvoj procesa: Ultrazvučna obrada (sonikacija) može se razviti i prilagoditi različitim koncentracijama kiseline, udjelu čvrstih tvari, temperaturi i trajanju obrade.
Primjeri istraživanja: visoki prinosi i kraće vrijeme luženja
Sljedeće studije ilustriraju te prednosti u određenim eksperimentalnim uvjetima. Itrij je element rijetkih zemalja; galij i vanadij su drugi vrijedni metali. Njihova ekstrakcija pruža dodatne dokaze za ultrazvučnu obradu pepela.
Itrij i vanadij: ekstrakcija do 97% i 100%
Masoum i sar. (2021) istražili su ekstrakciju vanadija i itrija iz letećeg pepela iz uglja koristeći sumpornu kiselinu, vodikov peroksid i ultrazvuk. Istraživači su primijenili metodologiju odzivne površine kako bi optimizirali omjer čvrste i tečne faze te udjele sumporne kiseline i vodikovog peroksida. Pod optimiziranim uvjetima, prijavljena ekstrakcija dosegnula je 100% za vanadij i 97% za itrij.
Modificirani model sužavajuće jezgre pokazao je da difuzija mase kontrolira brzinu reakcije. Taj nalaz naglašava važnost transportnih procesa u istraživanom sistemu i podržava usmjeravanje na prijenos mase tokom optimizacije procesa. Rezultati pokazuju da je visoka ekstrakcija itrija moguća kombinovanom obradom, iako prijavljeni prinosi odražavaju cjelokupni sistem reagensa i ultrazvuka.
FESEM snimci sirovog uglјenog pepela (a) lijevo prije luženja uglјenog pepela, (b) nakon ultrazvučnog luženja.
Studija i snimci: ©Masoum et al., 2021
Galij i vanadij: 88,89% kraće vrijeme luženja
Zhang i sar. (2026) istražili su ultrazvučno kiselinsko luženje nakon aktivacijskog prženja natrijevim karbonatom. Optimizirana prethodna obrada sastojala se od prženja na 850°C tokom 60 minuta, uz maseni omjer letećeg pepela i Na₂CO₃ od 2:1. Naknadno ultrazvučno kiselinsko luženje postiglo je visoku ekstrakciju galija i vanadija u roku od 20 minuta.
| Parametar | Ultrazvučno luženje nakon aktivacijskog prženja | Konvencionalno luženje |
|---|---|---|
| Vrijeme luženja | 20 min | 180 min |
| Efikasnost luženja galija | 98,14% | 63,81% |
| Efikasnost luženja vanadija | 92,32% | 83,56% |
Smanjenje sa 180 na 20 minuta odgovara fazi luženja kraćoj za 88,89%. Kinetička analiza pokazala je povećane konstante brzine i pojačanje procesa i prijenosa mase i međufazne reakcije. Ovi rezultati pokazuju potencijal kombiniranja aktivacijskog prženja s ultrazvučnim luženjem. Ušteda vremena odnosi se na luženje; prženje ostaje dodatni korak obrade.
Ultrazvučno pojačano kiselinsko luženje odvija se brzinom dvanaest puta većom od konvencionalnog kiselinskog luženja, zahvaljujući povoljnom mehaničkom djelovanju kavitacijskih mjehurića koji pucaju blizu površine. Ta pojava poboljšava miješanje kisele otopine i time pojačava transportna svojstva.
Slika i studija: © Canciani et al., 2024
2 industrijska sonikatora UIP4000hdT za zahtjevnu obradu
Razvijte svoj proces ultrazvučnog luženja za visoko izdvajanje rijetkih zemalja
Za praktičnu ekstrakciju rijetkih zemalja, nakon luženja slijede odvajanje i prečišćavanje otopljenih elemenata. Visoka efikasnost luženja stoga predstavlja važan međurezultat, a ne prinos gotovog proizvoda rijetkih zemalja. Procjena procesa treba obuhvatiti nizvodno izdvajanje, potrošnju reagensa i energiju potrebnu i za prethodnu obradu i za ultrazvučnu obradu (sonikaciju).
Hielscher nudi industrijske laboratorijske sonikatore i ultrazvučne protočne reaktore za zahtjevne primjene za razvoj i provedbu intenziviranih procesa luženja. Odabir opreme i probe mogu odrediti odgovarajuću amplitudu, udio čvrstih tvari, vrijeme zadržavanja i kontrolu temperature za konkretan pepeo.
Jednostavno povećanje skale na velike zapremine: Kada se jednom utvrde parametri za optimalno izdvajanje, oni se mogu linearno povećati na bilo koju komercijalnu zapreminu luženja.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije na laboratorijskoj, pilot i industrijskoj skali.
SEM snimci čestica u različitim trenucima konvencionalnog (a–c) i ultrazvučnog (d–f) luženja.
Slika i studija: © Canciani et al., 2024
Često postavljana pitanja
Kako ultrazvuk poboljšava luženje rijetkih zemalja iz pepela?
Ultrazvuk stvara akustičnu kavitaciju u suspenziji za luženje. Mjehurići koji kolabiraju proizvode intenzivno lokalno miješanje, smične sile i mikromlazeve koji poboljšavaju kontakt između čestica pepela i otopine za luženje. Ti efekti izlažu reaktivne površine i ubrzavaju prijenos mase, što pomaže povećanju prinosa ekstrakcije i skraćenju vremena luženja.
Koji se elementi rijetkih zemalja i vrijedni metali mogu izlužiti iz pepela?
Ovisno o porijeklu i mineralnom sastavu, pepeo se može luživati radi ekstrakcije elemenata rijetkih zemalja, uključujući lantan (La), cerij (Ce), neodim (Nd), disprozij (Dy), itrij (Y) i skandij (Sc). Leteći pepeo iz uglja potencijalni je izvor tih elemenata.
Ostali vrijedni metali uključuju galij (Ga) i vanadij (V) u pogodnim uglјenim pepelima te bakar (Cu) i cink (Zn) u pepelu iz spaljivanja komunalnog otpada.
Zašto koristiti sonikator sa sondom za zahtjevne primjene pri luženju pepela?
Sonikator sa sondom unosi ultrazvučnu energiju direktno u suspenziju putem sonotrode (ultrazvučna sonda/šipka). To omogućava intenzivnu obradu mješavina čvrsto–tečno i pruža podesive uvjete obrade. Hielscher industrijska oprema za ultrazvučnu obradu (sonikaciju) podržava integraciju u krugove luženja gdje su kontrolisan unos energije i pouzdan rad ključni. Konfiguracija treba odgovarati sastavu suspenzije, udjelu čvrstih tvari i traženom protoku.
Evo nekoliko Hielscher primjena za luženje:
Mogu li Hielscher sonikatori raditi kontinuirano?
Da. Hielscher industrijski sonikatori, poput UIP500hdT (500W) do UIP16000hdT (16.000W), projektovani su za kontinuiran rad 24/7. Mogu se konfigurirati za šaržnu obradu, recirkulaciju ili kontinuiranu obradu kroz ultrazvučnu protočnu ćeliju. Za luženje pepela, instalacija se integrira u pumpanje suspenzije, kontrolu temperature i odabranu hemiju luženja.
Može li se ultrazvučno luženje povećati na industrijsku proizvodnju?
Da, Hielscher sonikatori omogućavaju linearno povećanje skale. Hielscher nudi opremu za laboratorijske probe, pilot obradu i industrijsku proizvodnju, uključujući procesore od 16 kW koji se mogu kombinovati u klastere. Povećanje skale počinje probama za određivanje odgovarajuće amplitude, unosa energije, temperature i vremena zadržavanja. Ti rezultati čine osnovu za odabir kapaciteta reaktora i validaciju performansi ekstrakcije pri traženom protoku uzorka.
Zamjenjuje li ultrazvuk kiseline ili aktivacijsko prženje?
Ultrazvuk intenzivira proces luženja, dok hemijski reagensi pružaju hemiju potrebnu za otapanje ciljnih elemenata. Neki pepeli mogu također zahtijevati prethodnu obradu kako bi otporne mineralne faze postale pristupačne.
Koji se procesni parametri mogu pratiti?
Svi Hielscher sonikatori od 200 vati naviše podržavaju praćenje i automatsko bilježenje amplitude, snage, trajanja obrade i temperature, a mjerenje pritiska dostupno je putem opcionalnog senzora. Ovi podaci pomažu u poređenju proba i pouzdanom reproduciranju radnih uvjeta. Efikasnost ekstrakcije elemenata rijetkih zemalja mora se odrediti zasebno hemijskom analizom sirovine, izluženog rastvora i preostalih čvrstih tvari.
Može li se ultrazvučna oprema koristiti s kiselim, abrazivnim suspenzijama pepela?
Hielscher Ultrasonics nudi rješenja za ultrazvučnu obradu kiselih, abrazivnih suspenzija pepela. Sonotrode, protočne ćelije, brtve i druge vlažene komponente moraju se odabrati prema sastavu kiseline, koncentraciji, temperaturi i abrazivnosti čestica.
Znači li veća efikasnost luženja veće konačno izdvajanje rijetkih zemalja?
Da, veća efikasnost luženja znači da se više ciljnog elementa prenosi u tečnu fazu. Dobijanje upotrebljivog proizvoda rijetkih zemalja zahtijeva i nizvodno odvajanje i prečišćavanje. Ukupno izdvajanje ovisi o performansama cjelokupnog procesa.
Kako da odaberem Hielscher sonikator za svoj proces?
Počnite s reprezentativnim uzorcima pepela i definirajte ciljne elemente, koncentraciju suspenzije, hemiju luženja, zapreminu šarže ili protok te željeni prinos ekstrakcije. Mi iz kompanije Hielscher možemo vam pomoći pri odabiru opreme za probe izvodljivosti i naknadno linearno povećanje skale. Naš tehnički centar i procesni laboratorij također nude probe kao podršku odabiru opreme.
Literatura / reference
- 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 proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijskih do industrijskih veličina.