Ultrazvučno luženje plemenitih metala

Snažni ultrazvuk je učinkovita tehnika za ekstrakciju metala, kao što su plemeniti metali i rijetke zemlje. Ovaj proces ultrazvučno potpomognute ekstrakcije iz čvrste u tečnu fazu poznat je kao sonoluženje, luženje ili ispiranje. Robusni industrijski ultrazvučni uređaji mogu se jednostavno instalirati za luženje rijetkih zemalja iz ruda, za obradu rudarskih suspenzija radi potpunijeg iskorištenja ili za odvajanje visokovrijednih metala (npr. Cu, Zn, Ni) od manje vrijednih metala.

Ultrazvučno luženje potiče reakciju putem prijenosa mase i otapanja, tako da se veći prinosi postižu u kraćem vremenu ekstrakcije.
Glavne prednosti ultrazvučnog luženja su:

• veći prinos
• potpunije luženje
• smanjena potrošnja reagensa
• blaži uvjeti
• jednostavno testiranje izvodljivosti
• linearno povećanje razmjera
• jednostavna instalacija potpuno komercijalnih ultrazvučnih sistema
• vrlo robusni ultrazvučni uređaji za tokove velikih volumena

Ultrazvučno luženje plemenitih metala: brža ekstrakcija zahvaljujući kavitacijskoj hemiji

Izdvajanje plemenitih metala, kao što su zlato, srebro, platina, paladij i rodij, temelj je moderne metalurgije i recikliranja – posebno pri preradi ruda, koncentrata i sekundarnih izvora, kao što su elektronički otpad i katalizatori vozila. Iako je konvencionalno luženje dobro uhodano, često ga ograničavaju spor prijenos mase, pasivizacija površine, nepotpuno oslobađanje vrijednih faza i visoka potrošnja reagensa.
Ultrazvučno luženje rješava mnoga od ovih uskih grla uvođenjem ultrazvuka visokog intenziteta u suspenziju za luženje, čime se dramatično intenzivira reakcijska kinetika putem pojave poznate kao akustična kavitacija.

Osnovni mehanizam: akustična kavitacija

Kada se snažni ultrazvuk uvodi u tečnost, stvara mikroskopske kavitacijske mjehuriće koji se brzo formiraju i kolabiraju. Taj kolaps stvara ekstremne lokalizirane uvjete, uključujući:

• intenzivno mikromiješanje i smične sile
• mikromlazeve velike brzine usmjerene na čvrste površine
• lokalizirane vruće tačke (vrlo visoke temperature i tlakovi tokom mikrosekundi)

Iako se ovi efekti javljaju na mikroskopskoj skali, oni snažno utječu na makroskopski proces luženja jer kontinuirano obnavljaju reaktivnu površinu i ubrzavaju transport reagensa prema čvrstim česticama i od njih.

Ultrazvučno potpomognuto kiselinsko luženje odvija se brzinom dvanaest puta većom od konvencionalnog kiselinskog luženja, zahvaljujući povoljnom mehaničkom djelovanju kavitacijskih mjehurića koji pucaju u blizini površine. Ova pojava poboljšava miješanje kiselinske otopine i time poboljšava transportna svojstva.
Slika i studija: © Canciani et al., 2024

Zašto ultrazvuk poboljšava luženje plemenitih metala

U većini sistema za luženje korak koji ograničava brzinu nije sama hemijska reakcija, nego transport reaktanata kroz granične slojeve, pore ili pasivizirajuće površinske filmove. Ultrazvučna kavitacija poboljšava efikasnost luženja nizom sinergijskih efekata:

1. Pojačan prijenos mase
   Ultrazvuk smanjuje debljinu stagnantnog difuzijskog sloja koji okružuje čvrste čestice. To omogućava lužnim sredstvima (npr. cijanidu, tiosulfatu, kloridu, jodidu, tioureji ili kiselim sistemima) da brže dosegnu površinu koja sadrži metal, dok se otopljeni metalni kompleksi efikasnije uklanjaju.
2. Aktivacija površine čestica
   Kavitacijski mikromlazevi i udarni valovi kontinuirano erodiraju, čiste i hrapave površine čestica. Time se izlažu svježe mineralne faze i povećava efektivna reaktivna površina – što je posebno važno kod vatrostalnih ruda ili obloženih čestica.
3. Razaranje pasivizacijskih slojeva
   Mnogi minerali koji sadrže plemenite metale tokom luženja formiraju površinske slojeve (npr. okside, sulfate, elementarni sumpor ili filmove silicijum-dioksida). Ultrazvuk može fizički razoriti te barijere i ponovo omogućiti pristup sredstva za luženje donjoj metalnoj fazi.
4. Poboljšano prodiranje u porozne čvrste materijale
   Kod koncentrata, katalizatora i čestica elektroničkog otpada ultrazvuk pomaže da se tečnost utisne u pore i mikropukotine, čime se poboljšava pristup reagensa ugrađenim plemenitim metalima.

Raspodjele veličine čestica nakon ultrazvučnog i konvencionalnog luženja
Slika i studija: © Canciani et al., 2024

Primjene: od ruda do urbanog rudarenja

Ultrazvučno luženje se sve više istražuje kod primarnih i sekundarnih izvora:

• Zlato i srebro
  Pokazalo se da snažni ultrazvuk ubrzava luženje zlata u cijanidu i alternativnim lužnim sredstvima poboljšanjem transporta i uklanjanjem efekata pasivizacije. Relevantan je i za dobivanje srebra iz ruda i industrijskih ostataka.
• Metali platinske grupe (PGM)
  Dobivanje platine, paladija i rodija – posebno iz istrošenih katalizatora vozila – često se oslanja na sisteme luženja na bazi klorida ili kiselina. Ultrazvuk poboljšava kinetiku otapanja intenziviranjem površinskih reakcija i boljim razgrađivanjem složenih keramičko-metalnih matrica.
• Elektronički otpad
  Štampane ploče i elektroničke komponente sadrže vrijedne plemenite metale, ali zbog polimera, oksida i višematerijalnih struktura predstavljaju jake difuzijske barijere. Ultrazvučna obrada poboljšava ujednačenost luženja i može skratiti potrebno vrijeme luženja.
• Rijetke zemlje iz pepela uglja
  Pepeo uglja može sadržavati vrijedne metale i rijetke zemlje, koji su često vezani unutar mineralnih faza ili staklaste aluminosilikatne matrice. Ultrazvučna obrada poboljšava kontakt između čestica pepela i otopine za luženje, što može povećati efikasnost ekstrakcije i skratiti vrijeme luženja.
  Saznajte više o ultrazvučnom luženju rijetkih zemalja iz pepela!

Ključne prednosti procesa

Sa stajališta procesnog inženjerstva, ultrazvučno luženje nudi nekoliko mjerljivih prednosti:

• kraće vrijeme luženja zahvaljujući ubrzanoj kinetici
• veći prinosi ekstrakcije zbog boljeg pristupa površini
• manja potrošnja reagensa u mnogim sistemima (potrebno je manje viška lužnog sredstva)
• bolja ponovljivost zahvaljujući boljoj disperziji i miješanju
• potencijalno niža radna temperatura jer ultrazvuk kompenzira sporiju termičku kinetiku

Procesna razmatranja i povećanje razmjera

Uspješno ultrazvučno luženje snažno ovisi o dizajnu procesa. Kritični parametri uključuju:

• gustoću snage i amplitudu ultrazvuka
• koncentraciju suspenzije i raspodjelu veličine čestica
• geometriju reaktora i uvjete protoka
• kontrolu temperature
• izbor kemije luženja (kisela, alkalna, kloridna itd.)

Važno je naglasiti da industrijska primjena zahtijeva ultrazvučne reaktore velike snage sa sondom, jer ultrazvučne kupelji obično ne unose dovoljno energije u guste suspenzije za luženje. Inline ultrazvučne protočne ćelije mogu se integrirati u kontinuirane krugove luženja, što omogućava skalabilan rad. Hielscher visokoučinkoviti sonikatori izrađeni su za obradu velikih volumena u zahtjevnim uvjetima – povećavaju prinose izluženih metala, a istovremeno skraćuju vrijeme obrade i smanjuju utjecaj na okoliš.

Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i posebnu pažnju posvećuje visokoučinkovitim ultrazvučnim uređajima koji imaju najsavremeniju tehnologiju i jednostavni su za korištenje. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji su u skladu sa CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Literatura / reference

• 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.