Ultrazvukové loužení drahých kovů

Výkonový ultrazvuk je účinná technika pro extrakci kovů, jako jsou drahé kovy a prvky vzácných zemin. Tento proces ultrazvukem podporované extrakce typu pevná látka–kapalina je známý jako sono-loužení, lixiviace nebo promývání. Robustní průmyslové ultrazvukové přístroje lze snadno instalovat k loužení prvků vzácných zemin z rud, k úpravě důlních suspenzí pro úplnější výtěžnost nebo k oddělení vysoce hodnotných kovů (např. Cu, Zn, Ni) od méně hodnotných kovů.

Ultrazvukové loužení podporuje reakci prostřednictvím přenosu hmoty a rozpouštění, takže se dosahuje vyšších výtěžků za kratší dobu extrakce.
Hlavní výhody ultrazvukového loužení jsou:

• vyšší výtěžek
• úplnější loužení
• snížená spotřeba činidel
• mírnější podmínky
• jednoduché testování proveditelnosti
• lineární převod do většího měřítka
• snadná instalace plně komerčních ultrazvukových systémů
• velmi robustní ultrazvukové přístroje pro velkoobjemové toky

Ultrazvukové loužení drahých kovů: rychlejší extrakce díky kavitační chemii

Získávání drahých kovů, jako je zlato, stříbro, platina, palladium a rhodium, je základním pilířem moderní metalurgie a recyklace – zejména při zpracování rud, koncentrátů a druhotných surovin, jako je elektronický šrot a katalyzátory. Ačkoli je konvenční loužení dobře zavedené, často je omezeno pomalým přenosem hmoty, pasivací povrchu, neúplným uvolněním cenných fází a vysokou spotřebou činidel.
Ultrazvukové loužení řeší mnohá z těchto úzkých míst tím, že do loužicí suspenze zavádí vysoce intenzivní ultrazvuk, a díky jevu známému jako akustická kavitace tak dramaticky zintenzivňuje reakční kinetiku.

Základní mechanismus: akustická kavitace

Když je do kapaliny přenášen vysoce výkonný ultrazvuk, vytváří mikroskopické kavitační bubliny, které se rychle tvoří a kolabují. Tento kolaps vytváří extrémní lokální podmínky, mezi něž patří:

• intenzivní mikromísení a smykové síly
• vysokorychlostní mikroproudy směřující na povrchy pevných látek
• lokální horká místa (velmi vysoké teploty a tlaky po dobu mikrosekund)

Ačkoli se tyto účinky odehrávají v mikroskopickém měřítku, silně ovlivňují makroskopický proces loužení tím, že neustále obnovují reaktivní povrch a urychlují transport činidel k pevným částicím a od nich.

Ultrazvukem podpořené kyselé loužení probíhá dvanáctkrát rychleji 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.
Obrázek a studie: © Canciani et al., 2024

Proč ultrazvuk zlepšuje loužení drahých kovů

Ve většině loužicích systémů není krokem určujícím rychlost samotná chemická reakce, ale spíše transport reaktantů přes mezní vrstvy, póry nebo pasivační povrchové filmy. Ultrazvuková kavitace zvyšuje účinnost loužení prostřednictvím několika synergických účinků:

1. Zlepšený přenos hmoty
   Ultrazvuk snižuje tloušťku stagnující difuzní vrstvy obklopující pevné částice. To umožňuje loužicím činidlům (např. kyanidu, thiosíranu, chloridu, jodidu, thiomočovině nebo kyselým systémům) rychleji dosáhnout povrchu obsahujícího kov, zatímco rozpuštěné kovové komplexy jsou odváděny efektivněji.
2. Aktivace povrchu částic
   Kavitační mikroproudy a rázové vlny neustále erodují, čistí a zdrsňují povrchy částic. Tím se odkrývají čerstvé minerální fáze a zvětšuje se efektivní reaktivní plocha – což je zvláště důležité u refrakterních rud nebo potažených částic.
3. Narušení pasivačních vrstev
   Mnoho minerálů obsahujících drahé kovy vytváří během loužení povrchové vrstvy (např. oxidy, sírany, elementární síru nebo křemičité filmy). Ultrazvuk může tyto bariéry fyzicky narušit a obnovit tak přístup loužicího činidla k podkladové kovové fázi.
4. Lepší pronikání do porézních pevných látek
   U koncentrátů, katalyzátorů a částic elektroodpadu pomáhá ultrazvuk vtlačit kapalinu do pórů a mikrotrhlin, čímž zlepšuje přístup činidel k uzavřeným drahým kovům.

Distribuce velikosti částic po ultrazvukovém a konvenčním loužení
Obrázek a studie: © Canciani et al., 2024

Aplikace: od rud po urban mining

Ultrazvukové loužení je stále častěji zkoumáno u primárních i sekundárních surovin:

• Zlato a stříbro
  Bylo prokázáno, že výkonový ultrazvuk urychluje loužení zlata v kyanidu a alternativních loužicích činidlech díky zlepšení transportu a odstranění pasivačních účinků. Je také relevantní pro získávání stříbra z rud a průmyslových zbytků.
• Kovy platinové skupiny (PGM)
  Získávání platiny, palladia a rhodia – zejména z vyřazených katalyzátorů – často spoléhá na loužicí systémy na bázi chloridů nebo kyselin. Ultrazvuk zlepšuje kinetiku rozpouštění tím, že zintenzivňuje povrchové reakce a zlepšuje rozklad složitých keramických/kovových matric.
• Elektronický šrot
  Desky plošných spojů a elektronické součástky obsahují cenné drahé kovy, ale představují silné difuzní bariéry v důsledku polymerů, oxidů a vícemateriálových struktur. Ultrazvukové ošetření zlepšuje rovnoměrnost loužení a může zkrátit potřebnou dobu loužení.
• Prvky vzácných zemin z uhelných popílků
  Uhelný popílek může obsahovat cenné kovy a prvky vzácných zemin, často vázané v minerálních fázích nebo ve sklovité hlinitokřemičitanové matrici. Ultrazvukové ošetření zlepšuje kontakt mezi částicemi popílku a loužicím roztokem, což může zvýšit účinnost extrakce a zkrátit dobu loužení.
  Přečtěte si více o ultrazvukovém loužení prvků vzácných zemin z popílků!

Klíčové výhody procesu

Z pohledu procesního inženýrství nabízí ultrazvukové loužení několik měřitelných výhod:

• kratší doby loužení díky urychlené kinetice
• vyšší výtěžky extrakce díky lepšímu přístupu k povrchu
• nižší spotřeba činidel v mnoha systémech (je potřeba méně nadbytečného loužicího činidla)
• lepší reprodukovatelnost díky lepší disperzi a míchání
• potenciálně nižší provozní teplota, protože ultrazvuk kompenzuje pomalejší tepelnou kinetiku

Procesní aspekty a převod do většího měřítka

Úspěšné ultrazvukové loužení silně závisí na návrhu procesu. Mezi kritické parametry patří:

• hustota ultrazvukového výkonu a amplituda
• koncentrace suspenze a distribuce velikosti částic
• geometrie reaktoru a podmínky proudění
• regulace teploty
• volba chemie loužení (kyselá, alkalická, chloridová atd.)

Důležité je, že realizace v průmyslovém měřítku vyžaduje vysoce výkonné ultrazvukové reaktory sondového typu, protože lázňové sonikátory obvykle nedodávají do hustých loužicích suspenzí dostatek energie. Inline ultrazvukové průtokové cely lze integrovat do kontinuálních loužicích okruhů, což umožňuje škálovatelný provoz. Vysoce výkonné sonikátory Hielscher jsou konstruovány pro zpracování velkých objemů v náročných podmínkách – zvyšují výtěžky vyloužených kovů a současně zkracují dobu zpracování a snižují dopad na životní prostředí.

Konstrukce, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou známé svou nejvyšší kvalitou a konstrukčními standardy. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových přístrojů do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí ultrazvukové přístroje Hielscher snadno zvládají.

Společnost Hielscher Ultrasonics je certifikována podle ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrazvukové přístroje se špičkovou technologií a uživatelskou přívětivostí. Ultrazvukové přístroje Hielscher samozřejmě vyhovují požadavkům CE a splňují požadavky UL, CSA a 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.