Ultrazvukové loužení prvků vzácných zemin z popela
Ultrazvukové loužení může zvýšit výtěžnost extrakce a zkrátit dobu zpracování při získávání prvků vzácných zemin z popela. Díky zlepšení kontaktu mezi částicemi popela a louhovacími činidly urychluje výkonné ultrazvukové vlny rozpouštění a pomáhá zpřístupnit cenné prvky. Studie zaměřené na uhelný popílek dokládají tento potenciál: vědci zaznamenali 97% výtěžnost extrakce yttria, zatímco jiná studie zaměřená na gallium a vanad zkrátila dobu kyselého loužení ze 180 na 20 minut.
Popel jako sekundární zdroj prvků vzácných zemin
Popel představuje slibný sekundární zdroj prvků vzácných zemin (REE). Zbytky ze spalování uhlí mohou obsahovat yttrium a další prvky vzácných zemin, které se používají v elektronice, energetických technologiích a moderních materiálech. Získávání těchto prvků ze stávajících toků popela a jeho ložisek by mohlo přispět k diverzifikaci dodávek surovin a proměnit odpadní materiál v užitečnou surovinu.
Možnosti extrakce závisí jak na koncentraci prvků, tak na jejich dostupnosti. Popel může obsahovat cenné prvky, avšak při vyluhování se z něj uvolní pouze omezená část, pokud okolní minerální matrice omezuje přístup činidel. Z tohoto důvodu je nutné brát v úvahu složení popela, jeho předúpravu i chemické podmínky vyluhování jako jeden celek. Získávání několika cenných prvků ze stejné suroviny může rovněž zlepšit vyhlídky daného procesu.
Ultrazvukové loužení rozrušuje částice popela, čímž se prvky vzácných zemin stávají přístupnými pro louhovací činidla. Díky zlepšení přenosu hmoty mezi částicemi a činidlem zvyšuje sonikace výtěžnost a zároveň zkracuje dobu zpracování!
Průmyslová instalace ultrazvukových zařízení Hielscher: 48kW cluster ultrazvukových zařízení pro inline loužení prvků vzácných zemin z uhelného popela
Jak ultrazvuk zlepšuje vyluhování popela
Výkonný ultrazvuk zesiluje extrakci z pevné fáze do kapalné fáze prostřednictvím akustické kavitace. V kapalině se tvoří a kolabují mikroskopické bublinky, čímž vznikají lokální smykové síly, mikroproudy a intenzivní míchání. Tyto jevy mohou rozptýlit aglomeráty částic, vyčistit exponované povrchy a zlepšit transport extrakčních činidel k reaktivním místům. Rozpuštěné látky jsou odnášeny rychleji, což napomáhá udržení procesu rozpouštění.
Při zpracování popela přinášejí tyto účinky několik praktických výhod:
- Rychlejší vyluhování: Zlepšený přenos hmoty může zkrátit dobu potřebnou k extrakci dostupných kovů.
- Vyšší výtěžnost extrakce: Lepší kontakt s povrchem může přispět k uvolnění látky, která při běžném míchání zůstává nedostatečně vyluhovaná.
- Kombinace s předúpravou: Ultrazvuk může zesílit fázi vyluhování poté, co aktivace zpřístupnila odolné fáze.
- Flexibilní vývoj procesů: Ultrazvukovou úpravu lze přizpůsobit různým koncentracím kyseliny, obsahu pevných látek, teplotě a době zpracování.
Příklady výzkumu: Vysoké výnosy a kratší doba vyluhování
Následující studie dokládají tyto výhody za konkrétních experimentálních podmínek. Yttrium je prvek vzácných zemin; gallium a vanad jsou další cenné kovy. Jejich extrakce poskytuje doplňující důkazy o účinnosti ultrazvukového zpracování popela.
Yttrium a vanad: Účinnost extrakce až 97 % a 100 %
Masoum a kol. (2021) zkoumali extrakci vanadu a yttria z uhelného popílku za použití kyseliny sírové, peroxidu vodíku a ultrazvuku. Výzkumníci použili metodiku odezvy povrchu k optimalizaci poměru pevné látky k kapalině a poměrů kyseliny sírové a peroxidu vodíku. Za optimalizovaných podmínek dosáhla uváděná výtěžnost 100 % u vanadu a 97 % u yttria.
Upravený model s zmenšujícím se jádrem naznačil, že rychlost reakce je určována difuzí hmoty. Tento poznatek zdůrazňuje význam transportních procesů ve zkoumaném systému a podporuje zaměření se na přenos hmoty při optimalizaci procesu. Výsledky ukazují, že kombinovanou úpravou lze dosáhnout vysoké extrakce yttria, ačkoli uvedené výtěžky zohledňují kompletní soupravu činidel a ultrazvukový systém.
FESEM snímky surového uhelného popela: (a) vlevo před vyluhováním uhelného popela, (b) po ultrazvukovém vyluhování.
Studie a obrázky: © Masoum et al., 2021
Galium a vanad: zkrácení doby loužení o 88,89 %
Zhang a kol. (2026) zkoumali ultrazvukové kyselé loužení po aktivačním pražení uhličitanem sodným. Optimalizovaná předúprava spočívala v pražení při teplotě 850 °C po dobu 60 minut, přičemž byl použit hmotnostní poměr popílku k Na₂CO₃ 2:1. Následné ultrazvukové loužení kyselinou umožnilo dosáhnout vysoké extrakce galia a vanadu během 20 minut.
| Parametr | Ultrazvukové loužení po aktivačním pražení | Konvenční loužení |
|---|---|---|
| Doba loužení | Dvacet minut | 180 minut |
| Účinnost vyluhování galia | 98,14 % | 63,81 % |
| Účinnost vyluhování vanadu | 92,32 % | 83,56 % |
Zkrácení doby z 180 na 20 minut odpovídá zkrácení fáze loužení o 88,89 %. Kinetická analýza ukázala zvýšení rychlostních konstant a zrychlení jak procesů přenosu hmoty, tak mezifázových reakcí. Tyto výsledky dokládají potenciál kombinace aktivačního pražení s ultrazvukovým loužením. Úspora času se týká loužení; pražení zůstává dalším krokem zpracování.
Ultrazvukem zesílené kyselé loužení funguje dvanáctkrát rychleji než konvenční kyselé loužení, a to díky příznivému mechanickému působení kavitačních bublin, které prasknou v blízkosti povrchu. Tento jev zlepšuje míchání kyselých roztoků, čímž se zlepšují transportní vlastnosti.
Obrázek a studie: © Canciani et al., 2024
2 průmyslové ultrazvukové přístroje UIP4000hdT pro náročné zpracování
Vyviněte ultrazvukový proces loužení pro vysokou výtěžnost vzácných zemin
Při praktické těžbě vzácných zemin následuje po vyluhování separace a čištění rozpuštěných prvků. Vysoká účinnost vyluhování proto představuje důležitý mezivýsledek, nikoli výtěžek hotového produktu ze vzácných zemin. Hodnocení procesu by mělo zahrnovat následnou regeneraci, spotřebu činidel a energii potřebnou jak pro předúpravu, tak pro sonikaci.
Společnost Hielscher nabízí stolní ultrazvukové přístroje průmyslové kvality a vysoce výkonné ultrazvukové průtokové reaktory pro vývoj a zavádění intenzivnějších procesů loužení. Na základě výběru zařízení a provedených zkoušek lze stanovit vhodnou amplitudu, obsah pevných látek, dobu zdržení a regulaci teploty pro konkrétní druh popela.
Snadné rozšíření výroby na velké objemy: Jakmile budou stanoveny parametry pro optimální získávání, lze je poté lineárně škálovat na jakýkoli komerční objem loužení.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakci v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
SEM snímky pro částice v různých časech konvenčního (a–c) a ultrazvukového (d–f) loužení.
Obrázek a studie: © Canciani et al., 2024
Nejčastější dotazy
Jak ultrazvuk zlepšuje vyluhování prvků vzácných zemin z popela?
Ultrazvuk vyvolává akustickou kavitaci v loužicí suspenzi. Kolabující bubliny způsobují intenzivní lokální míchání, smykové síly a mikroproudy, které zlepšují kontakt mezi částicemi popela a loužicím roztokem. Tyto jevy odhalují reaktivní povrchy a urychlují přenos hmoty, čímž přispívají ke zvýšení výtěžnosti extrakce a zkrácení doby loužení.
Jaké prvky vzácných zemin a cenné kovy lze z popela vyluhovat?
V závislosti na svém původu a minerálním složení lze z popela pomocí vyluhování extrahovat prvky vzácných zemin, včetně lantanu (La), ceru (Ce), neodymu (Nd), dysprosia (Dy), yttria (Y) a skandia (Sc). Letecký popel z uhlí je potenciálním zdrojem těchto prvků.
Mezi další cenné kovy patří gallium (Ga) a vanad (V) obsažené ve vhodných uhelných popelech a měď (Cu) a zinek (Zn) obsažené v popelech ze spalování komunálního odpadu.
Proč používat vysoce výkonný ultrazvukový přístroj s sondou pro loužení popela?
Sondový ultrazvukový přístroj přivádí ultrazvukovou energii přímo do suspenze prostřednictvím sonotrody (ultrazvukové sondy/tyče). To umožňuje intenzivní zpracování směsí pevných látek a kapalin a zajišťuje nastavitelné podmínky zpracování. Průmyslová ultrazvuková zařízení společnosti Hielscher podporují integraci do výluhových okruhů, kde je nezbytný řízený příkon energie a spolehlivý provoz. Konfigurace by měla odpovídat složení suspenze, obsahu pevných látek a požadované průtokové kapacitě.
Zde uvádíme několik příkladů použití technologie loužení od společnosti Hielscher:
Mohou ultrazvukové přístroje Hielscher pracovat nepřetržitě?
Ano. Průmyslové ultrazvukové přístroje společnosti Hielscher, jako jsou modely UIP500hdT (500 W) až UIP16000hdT (16 000 W), jsou navrženy pro nepřetržitý provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu. Lze je konfigurovat pro dávkové zpracování, recirkulaci nebo kontinuální zpracování prostřednictvím ultrazvukové průtokové komory. Pro loužení popela je součástí instalace čerpání kalové suspenze, regulace teploty a zvolený chemický proces loužení.
Lze ultrazvukové loužení rozšířit na průmyslovou výrobu?
Ano, ultrazvukové přístroje Hielscher umožňují lineární škálování. Společnost Hielscher nabízí zařízení pro laboratorní zkoušky, pilotní zpracování i průmyslovou výrobu, včetně 16 kW procesorů, které lze kombinovat do klastrů. Zvětšování měřítka začíná zkouškami, jejichž cílem je stanovit vhodnou amplitudu, příkon, teplotu a dobu zdržení. Tyto výsledky slouží jako základ pro výběr kapacity reaktoru a ověření výkonu extrakce při požadovaném průtoku.
Nahrazuje ultrazvuk kyseliny nebo aktivační pražení?
Ultrazvuk urychluje proces vyluhování, zatímco chemická činidla zajišťují chemické podmínky potřebné k rozpuštění cílových prvků. U některých druhů popela může být rovněž nutná předúprava, aby se zpřístupnily odolné minerální fáze.
Které parametry procesu lze monitorovat?
Všechny ultrazvukové přístroje Hielscher od výkonu 200 wattů podporují monitorování a automatické zaznamenávání amplitudy, výkonu, doby zpracování a teploty, přičemž měření tlaku je možné pomocí volitelného snímače. Tyto údaje pomáhají porovnávat jednotlivé pokusy a spolehlivě reprodukovat provozní podmínky. Účinnost extrakce prvků vzácných zemin je nutné stanovit samostatně pomocí chemické analýzy vstupní suroviny, výluhu a zbývajících pevných látek.
Lze ultrazvuková zařízení používat s kyselými, abrazivními popelovými suspenzemi?
Společnost Hielscher Ultrasonics nabízí řešení pro ultrazvukové zpracování kyselých, abrazivních kalů z popela. Sonotrody, průtokové komory, těsnění a další součásti přicházející do styku s médiem je třeba vybírat s ohledem na složení kyseliny, její koncentraci, teplotu a abrazivitu částic.
Znamená vyšší účinnost vyluhování také vyšší konečnou výtěžnost vzácných zemin?
Ano, vyšší účinnost vyluhování znamená, že se do kapalné fáze přenese větší množství cílového prvku. Výroba použitelného produktu ze vzácných zemin vyžaduje také následnou separaci a čištění. Celková výtěžnost závisí na výkonu celého procesu.
Jak si mám vybrat ultrazvukový přístroj značky Hielscher pro svůj proces?
Začněte s reprezentativními vzorky popela a určete cílové prvky, koncentraci suspenze, chemické složení louhu, objem šarže nebo průtok a požadovaný výtěžek extrakce. My ve společnosti Hielscher vám můžeme pomoci s výběrem zařízení pro zkoušky proveditelnosti a následné lineární zvětšování 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 laboratoř k průmyslová velikost.