Ultrazvukové loužení prvků vzácných zemin z popelů
Ultrazvukové loužení může zvýšit výtěžnost extrakce a zkrátit dobu zpracování při získávání prvků vzácných zemin z popela. Výkonový ultrazvuk zlepšuje kontakt mezi částicemi popela a loužicími činidly, čímž urychluje rozpouštění a pomáhá zpřístupnit cenné prvky. Potenciál dokládají studie uhelného popílku: výzkumníci uvedli 97% extrakci yttria, zatímco samostatná studie zaměřená na gallium a vanad zkrátila dobu kyselého loužení ze 180 na 20 minut.
Popel jako druhotný zdroj prvků vzácných zemin
Popely představují perspektivní druhotný zdroj prvků vzácných zemin (REE). Zbytky po spalování uhlí mohou obsahovat yttrium a další prvky vzácných zemin využívané v elektronice, energetických technologiích a pokročilých materiálech. Získávání těchto prvků ze stávajících toků popela a z jeho úložišť by mohlo diverzifikovat dodávky surovin a proměnit materiál určený k likvidaci v užitečnou surovinu.
Potenciál extrakce závisí jak na koncentraci prvků, tak na jejich dostupnosti. Popel může obsahovat cenné prvky, a přesto při loužení uvolnit jen omezený podíl, pokud okolní minerální matrice omezuje přístup činidel. Složení popela, předúpravu a chemii loužení je proto nutné posuzovat společně. Získávání několika cenných prvků ze stejné suroviny může rovněž zlepšit vyhlídky procesu.
Ultrazvukové loužení fragmentuje částice popela, a tím zpřístupňuje prvky vzácných zemin loužicím činidlům. Zlepšením přenosu hmoty mezi částicemi a činidlem zvyšuje sonikace výtěžnost a zároveň zkracuje dobu zpracování!
Průmyslová instalace sonikátorů Hielscher: klastr sonikátorů o výkonu 48kW pro inline loužení prvků vzácných zemin z uhelných popelů
Jak ultrazvuk zlepšuje loužení popela
Výkonový ultrazvuk intenzifikuje extrakci v systému pevná látka–kapalina prostřednictvím akustické kavitace. V kapalině vznikají a kolabují mikroskopické bubliny, které generují lokální smykové síly, mikrotrysky a intenzivní míchání. Tyto efekty mohou dispergovat aglomeráty částic, čistit exponované povrchy a zlepšovat transport loužicích činidel k reaktivním místům. Rozpuštěné složky jsou odváděny rychleji, což pomáhá udržet průběh rozpouštění.
Pro zpracování popela nabízejí tyto efekty několik praktických výhod:
- Rychlejší loužení: Zlepšený přenos hmoty může zkrátit dobu potřebnou k extrakci dostupných kovů.
- Vyšší výtěžnost extrakce: Lepší kontakt s povrchem může napomoci uvolnění materiálu, který při konvenčním míchání zůstává nedostatečně vyloužen.
- Kombinace s předúpravou: Ultrazvuk může intenzifikovat krok loužení poté, co aktivace zpřístupnila odolné fáze.
- Flexibilní vývoj procesu: Sonikaci lze vyvíjet a přizpůsobovat různé koncentraci kyseliny, obsahu pevných látek, teplotě a době zpracování.
Příklady z výzkumu: vysoká výtěžnost a kratší doba loužení
Následující studie ilustrují tyto výhody za specifických experimentálních podmínek. Yttrium je prvek vzácných zemin; gallium a vanad jsou další cenné kovy. Jejich extrakce poskytuje doplňující doklady pro ultrazvukové zpracování popela.
Yttrium a vanad: extrakce až 97% a 100%
Masoum et al. (2021) zkoumali extrakci vanadu a yttria z uhelného popílku pomocí kyseliny sírové, peroxidu vodíku a ultrazvuku. Výzkumníci použili metodu odezvové plochy k optimalizaci poměru pevné a kapalné fáze a poměrů kyseliny sírové a peroxidu vodíku. Za optimalizovaných podmínek dosáhla uváděná extrakce 100% u vanadu a 97% u yttria.
Modifikovaný model zmenšujícího se jádra ukázal, že rychlost reakce byla řízena difuzí hmoty. Toto zjištění zdůrazňuje význam transportních procesů ve zkoumaném systému a podporuje cílené zaměření na přenos hmoty při optimalizaci procesu. Výsledky ukazují, že vysoké extrakce yttria lze kombinovaným zpracováním dosáhnout, ačkoli uváděné výtěžnosti odrážejí celý systém činidel a ultrazvuku.
Snímky FESEM surového uhelného popela (a) vlevo uhelný popel před loužením, (b) po ultrazvukovém loužení.
Studie a snímky: ©Masoum et al., 2021
Gallium a vanad: o 88,89% kratší doba loužení
Zhang et al. (2026) zkoumali ultrazvukové kyselé loužení po aktivačním pražení s uhličitanem sodným. Optimalizovaná předúprava spočívala v pražení při 850°C po dobu 60 minut při hmotnostním poměru popílku k Na₂CO₃ 2:1. Následné ultrazvukové kyselé loužení dosáhlo vysoké extrakce gallia a vanadu během 20 minut.
| Parametr | Ultrazvukové loužení po aktivačním pražení | Konvenční loužení |
|---|---|---|
| Doba loužení | 20 min | 180 min |
| Účinnost loužení gallia | 98,14% | 63,81% |
| Účinnost loužení vanadu | 92,32% | 83,56% |
Zkrácení ze 180 na 20 minut odpovídá o 88,89% kratšímu kroku loužení. Kinetická analýza ukázala zvýšené rychlostní konstanty a zintenzivnění jak přenosu hmoty, tak procesů mezifázové reakce. Tyto výsledky dokládají potenciál kombinace aktivačního pražení s ultrazvukovým loužením. Úspora času se týká loužení; pražení zůstává dalším krokem zpracování.
Ultrazvukem zesílené kyselé loužení probíhá rychlostí dvanáctkrát vyšší než konvenční kyselé loužení, a to díky příznivému mechanickému působení kavitačních bublin praskajících v blízkosti povrchu. Tento jev zlepšuje míchání kyselého roztoku, a tím zlepšuje transportní vlastnosti.
Snímek a studie: © Canciani et al., 2024
2 průmyslové sonikátory UIP4000hdT pro náročné zpracování
Vyviňte svůj proces ultrazvukového loužení pro vysokou výtěžnost prvků vzácných zemin
Při praktické extrakci prvků vzácných zemin následuje po loužení separace a purifikace rozpuštěných prvků. Vysoká účinnost loužení proto představuje důležitý mezivýsledek, nikoli výtěžek hotového produktu vzácných zemin. Hodnocení procesu by mělo zahrnovat navazující získávání, spotřebu činidel a energii potřebnou jak pro předúpravu, tak pro sonikaci.
Hielscher nabízí stolní sonikátory průmyslové kvality a robustní ultrazvukové průtokové reaktory pro vývoj a zavádění intenzifikovaných procesů loužení. Výběr zařízení a zkoušky mohou stanovit vhodnou amplitudu, obsah pevných látek, dobu zdržení a regulaci teploty pro konkrétní popel.
Jednoduché zvětšení měřítka na velké objemy: Jakmile jsou parametry pro optimální výtěžnost stanoveny, lze je lineárně převést na jakýkoli komerční objem loužení.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro aplikace míchání, dispergace, emulgace a extrakce v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
Snímky SEM částic v různých časech konvenčního (a–c) a ultrazvukového (d–f) loužení.
Snímek a studie: © Canciani et al., 2024
Často kladené otázky
Jak ultrazvuk zlepšuje loužení prvků vzácných zemin z popela?
Ultrazvuk vytváří v loužicí suspenzi akustickou kavitaci. Kolabující bubliny vyvolávají intenzivní lokální míchání, smykové síly a mikrotrysky, které zlepšují kontakt mezi částicemi popela a loužicím roztokem. Tyto efekty odhalují reaktivní povrchy a urychlují přenos hmoty, což pomáhá zvýšit výtěžnost extrakce a zkrátit dobu loužení.
Které prvky vzácných zemin a cenné kovy lze z popelů vyloužit?
V závislosti na svém původu a mineralogickém složení lze popely loužit za účelem extrakce prvků vzácných zemin, včetně lanthanu (La), ceru (Ce), neodymu (Nd), dysprosia (Dy), yttria (Y) a skandia (Sc). Uhelný popílek je potenciálním zdrojem těchto prvků.
Mezi další cenné kovy patří gallium (Ga) a vanad (V) ve vhodných uhelných popelech a měď (Cu) a zinek (Zn) v popelech ze spalování komunálního odpadu.
Proč pro loužení popela použít robustní sondový sonikátor?
Sondový sonikátor přivádí ultrazvukovou energii přímo do suspenze prostřednictvím sonotrody (ultrazvukové sondy/tyče). To umožňuje intenzivní zpracování směsí pevné látky a kapaliny a poskytuje nastavitelné podmínky zpracování. Průmyslová sonikační zařízení Hielscher podporují integraci do loužicích okruhů, kde je zásadní řízený přívod energie a spolehlivý provoz. Konfigurace by měla odpovídat složení suspenze, obsahu pevných látek a požadované průchodnosti.
Zde je několik aplikací loužení od Hielscher:
Mohou sonikátory Hielscher pracovat nepřetržitě?
Ano. Průmyslové sonikátory Hielscher, například od UIP500hdT (500W) až po UIP16000hdT (16 000W), jsou konstruovány pro nepřetržitý provoz 24/7. Lze je konfigurovat pro vsádkové zpracování, recirkulaci nebo kontinuální zpracování prostřednictvím ultrazvukové průtokové cely. Při loužení popela se instalace integruje do čerpání suspenze, regulace teploty a zvolené chemie loužení.
Lze ultrazvukové loužení převést do měřítka průmyslové výroby?
Ano, sonikátory Hielscher umožňují lineární zvětšení měřítka. Hielscher nabízí zařízení pro laboratorní zkoušky, pilotní zpracování i průmyslovou výrobu, včetně procesorů o výkonu 16 kW, které lze kombinovat do klastrů. Zvětšování měřítka začíná zkouškami ke stanovení vhodné amplitudy, energetického vstupu, teploty a doby zdržení. Tyto výsledky poskytují základ pro volbu kapacity reaktoru a ověření účinnosti extrakce při požadované průchodnosti.
Nahrazuje ultrazvuk kyseliny nebo aktivační pražení?
Ultrazvuk intenzifikuje proces loužení, zatímco chemická činidla zajišťují chemii potřebnou k rozpuštění cílových prvků. Některé popely mohou rovněž vyžadovat předúpravu, aby se zpřístupnily odolné minerální fáze.
Které procesní parametry lze monitorovat?
Všechny sonikátory Hielscher od 200 wattů výše podporují monitorování a automatický záznam amplitudy, výkonu, doby zpracování a teploty, přičemž měření tlaku je k dispozici prostřednictvím volitelného senzoru. Tato data pomáhají porovnávat zkoušky a spolehlivě reprodukovat provozní podmínky. Účinnost extrakce prvků vzácných zemin je nutné stanovit samostatně chemickou analýzou vstupní suroviny, výluhu a zbývajících pevných látek.
Lze ultrazvuková zařízení používat s kyselými, abrazivními suspenzemi popela?
Hielscher Ultrasonics nabízí řešení pro sonikaci kyselých, abrazivních suspenzí popela. Sonotrody, průtokové cely, těsnění a další smáčené komponenty je třeba volit s ohledem na složení kyseliny, koncentraci, teplotu a abrazivitu částic.
Znamená vyšší účinnost loužení vyšší konečnou výtěžnost prvků vzácných zemin?
Ano, vyšší účinnost loužení znamená, že se do kapalné fáze převede větší podíl cílového prvku. Výroba použitelného produktu vzácných zemin vyžaduje také navazující separaci a purifikaci. Celková výtěžnost závisí na výkonnosti celého procesu.
Jak vyberu sonikátor Hielscher pro svůj proces?
Začněte s reprezentativními vzorky popela a definujte cílové prvky, koncentraci suspenze, chemii loužení, objem vsádky nebo průtok a požadovanou výtěžnost extrakce. My ve společnosti Hielscher vám můžeme pomoci vybrat zařízení pro studie proveditelnosti a následné lineární zvětšení měřítka. Naše technické centrum a procesní laboratoř rovněž nabízejí zkoušky na podporu výběru zařízení.
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 vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratorní po průmyslovou velikost.