Ultralydsudvaskning af sjældne jordarters grundstoffer fra aske
Ultralydsudvaskning kan øge udvindingsudbyttet og forkorte behandlingstiden ved udvinding af sjældne jordarters metaller fra aske. Ved at forbedre kontakten mellem askepartiklerne og udvaskningsmidlerne fremskynder kraftig ultralyd opløsningen og bidrager til at gøre værdifulde grundstoffer lettere tilgængelige. Undersøgelser af flyveaske fra kul viser potentialet: Forskere rapporterede om en yttriumudvinding på 97 %, mens en separat undersøgelse af gallium og vanadium reducerede syreudvaskningstiden fra 180 til 20 minutter.
Aske som sekundær ressource for sjældne jordarters metaller
Aske udgør en lovende sekundær ressource for sjældne jordarters metaller (REE). Restprodukter fra kulforbrænding kan indeholde yttrium og andre sjældne jordarters metaller, der anvendes inden for elektronik, energiteknologier og avancerede materialer. Genvinding af disse metaller fra eksisterende askestrømme og -depoter kunne bidrage til at diversificere råvareforsyningen og omdanne et bortskaffelsesmateriale til et nyttigt råstof.
Udvindingspotentialet afhænger både af grundstoffernes koncentration og tilgængelighed. Aske kan indeholde værdifulde grundstoffer, men frigiver muligvis kun en begrænset andel under udvaskningen, hvis den omgivende mineralmatrix hindrer reagensets adgang. Derfor skal askens sammensætning, forbehandlingen og udvaskningskemien betragtes i sammenhæng. Udvinding af flere værdifulde grundstoffer fra det samme udgangsmateriale kan ligeledes forbedre procesmulighederne.
Ultralydsudvaskning nedbryder askepartiklerne, hvilket gør sjældne jordarter tilgængelige for udvaskningsmidlerne. Ved at forbedre masseoverførslen mellem partiklerne og udvaskningsmidlet øger ultralydsbehandlingen udvindingsgraden og forkorter samtidig behandlingstiden!
Industriel installation af Hielscher-ultralydsenheder: 48 kW-ultralydsenhedsklynge til inline-udvaskning af sjældne jordarters metaller fra kulaske
Hvordan ultralyd forbedrer udvaskningen af aske
Kraftfuld ultralyd forstærker ekstraktionen mellem faste stoffer og væsker gennem akustisk kavitation. Der dannes og kollapser mikroskopiske bobler i væsken, hvilket skaber lokale forskydningskræfter, mikrostråler og intens omrøring. Disse effekter kan opløse partikelagglomerater, rense udsatte overflader og forbedre transporten af udvaskningsmidler til reaktive steder. Opløste stoffer transporteres hurtigere væk, hvilket bidrager til at opretholde opløsningen.
I forbindelse med forarbejdning af aske giver disse effekter en række praktiske fordele:
- Hurtigere udvaskning: En forbedret masseoverførsel kan forkorte den tid, der kræves til udvinding af tilgængelige metaller.
- Højere udvindingsudbytte: En forbedret overfladekontakt kan bidrage til at frigøre materiale, der ikke udvaskes tilstrækkeligt ved konventionel blanding.
- Kombination med forbehandling: Ultralyd kan forstærke udvaskningsfasen, efter at aktiveringen har gjort de modstandsdygtige faser mere tilgængelige.
- Fleksibel procesudvikling: Ultralydsbehandlingen kan tilpasses forskellige syrekoncentrationer, faststofindhold, temperaturer og behandlingstider.
Forskningseksempler: Høje udbytter og kortere udvaskningstider
Følgende undersøgelser illustrerer disse fordele under specifikke forsøgsbetingelser. Yttrium er et sjældent jordartselement; gallium og vanadium er andre værdifulde metaller. Udvindingen af disse metaller underbygger yderligere fordelene ved ultralydsbehandling af aske.
Yttrium og vanadium: Op til 97 % og 100 % udvinding
Masoum m.fl. (2021) undersøgte udvindingen af vanadium og yttrium fra kulflyveaske ved hjælp af svovlsyre, hydrogenperoxid og ultralyd. Forskerne anvendte responsflademetoden til at optimere forholdet mellem fast stof og væske samt andelene af svovlsyre og hydrogenperoxid. Under de optimerede betingelser nåede den rapporterede udvinding op på 100 % for vanadium og 97 % for yttrium.
En modificeret model med krympende kerne viste, at massediffusionen styrede reaktionshastigheden. Dette fund understreger betydningen af transportprocesser i det undersøgte system og taler for, at man bør fokusere på masseoverførslen i forbindelse med procesoptimering. Resultaterne viser, at der kan opnås en høj udvinding af yttrium ved den kombinerede behandling, selvom de rapporterede udbytter afspejler det komplette reagens- og ultralydssystem.
FESEM-billeder af rå kulaske: (a) til venstre før udvaskning af kulasken, (b) efter ultralydsudvaskning.
Undersøgelse og billeder: ©Masoum et al., 2021
Gallium og vanadium: 88,89 % kortere udvaskningstid
Zhang m.fl. (2026) undersøgte ultralydsbaseret syreudvaskning efter aktiveringsrastning med natriumkarbonat. Den optimerede forbehandling bestod af en risting ved 850 °C i 60 minutter med et masseforhold mellem flyveaske og Na₂CO₃ på 2:1. Den efterfølgende ultralydsbaserede syreudvaskning resulterede i en høj udvinding af gallium og vanadium inden for 20 minutter.
| Parameter | Ultralydsudvaskning efter aktiveringsristning | Konventionel udvaskning |
|---|---|---|
| Udvaskningstid | Tyve minutter | 180 minutter |
| Effektivitet ved udvaskning af gallium | 98,14 % | 63,81 % |
| Vanadiumudvaskningseffektivitet | 92,32 % | 83,56 % |
Reduktionen fra 180 til 20 minutter svarer til en 88,89 % kortere udvaskningsfase. Den kinetiske analyse viste øgede hastighedskonstanter samt en forbedring af både masseoverførsel og reaktionsprocesser ved grænsefladen. Disse resultater viser potentialet i at kombinere aktiveringsristning med ultralydsudvaskning. Tidsbesparelsen gælder udvaskningen; ristningen forbliver et yderligere forarbejdningstrin.
Ultralydsforbedret syreudvaskning fungerer med en hastighed tolv gange hurtigere end konventionel syreudvaskning på grund af den gavnlige mekaniske virkning af kavitationsbobler, der brister nær overfladen. Dette fænomen forbedrer syreopløsningsblandingen og forbedrer derved transportegenskaberne.
Billede og undersøgelse: © Canciani et al., 2024
2 industrielle ultralydsenheder af typen UIP4000hdT til kraftig bearbejdning
Udvikl din ultralydsudvaskningsproces til højt udbytte af sjældne jordarter
I forbindelse med praktisk udvinding af sjældne jordarter følger adskillelse og rensning af de opløste grundstoffer efter udvaskningen. En høj udvaskningseffektivitet udgør derfor et vigtigt delresultat, snarere end udbyttet af et færdigt produkt af sjældne jordarter. Evalueringen af processen bør omfatte udvinding i de efterfølgende trin, forbruget af reagenser samt den energi, der kræves til både forbehandling og ultralydsbehandling.
Hielscher tilbyder bordmodeller af ultralydsapparater i industriel kvalitet samt robuste ultralydsreaktorer til udvikling og implementering af intensiverede udvaskningsprocesser. Gennem udvælgelse af udstyr og forsøg kan man fastlægge passende amplitude, faststofindhold, opholdstid og temperaturregulering for en bestemt aske.
Enkel opskalering til store mængder: Når parametrene for optimal udvinding først er fastlagt, kan de derefter skaleres lineært op til ethvert kommercielt udvaskningsvolumen.
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer til blandingsapplikationer, dispersion, emulgering og ekstraktion i laboratorie-, pilot- og industriel skala.
SEM-billeder for partikler på forskellige tidspunkter af konventionel (a-c) og ultralyd (d-f) udvaskning.
Billede og undersøgelse: © Canciani et al., 2024
Ofte stillede spørgsmål
Hvordan forbedrer ultralyd udvaskningen af sjældne jordarter fra aske?
Ultralyd fremkalder akustisk kavitation i udvaskningsslammet. De sammenbrudte bobler skaber intens lokal omrøring, forskydningskræfter og mikrostråler, som forbedrer kontakten mellem askepartiklerne og udvaskningsvæsken. Disse effekter blotlægger reaktive overflader og fremskynder masseoverførslen, hvilket bidrager til at øge udvindingsudbyttet og forkorte udvaskningstiden.
Hvilke sjældne jordarters grundstoffer og værdifulde metaller kan udvindes fra aske?
Afhængigt af deres oprindelse og mineralsammensætning kan aske udvaskes for at udvinde sjældne jordarters metaller, herunder lanthan (La), cerium (Ce), neodym (Nd), dysprosium (Dy), yttrium (Y) og scandium (Sc). Kulflyveaske er en potentiel kilde til disse grundstoffer.
Andre værdifulde metaller omfatter gallium (Ga) og vanadium (V) i egnet kulaske samt kobber (Cu) og zink (Zn) i aske fra forbrænding af husholdningsaffald.
Hvorfor bruge en ultralydsapparat med kraftig sonde til udvaskning af aske?
En sondesonikator tilfører ultralydsenergi direkte ind i opslæmningen via en sonotrode (ultralydssonde/stang). Dette muliggør en intensiv behandling af faststof-væskeblandinger og giver mulighed for justerbare procesbetingelser. Hielschers industrielle sonikationsudstyr understøtter integration i udvaskningskredsløb, hvor kontrolleret energitilførsel og pålidelig drift er afgørende. Konfigurationen skal passe til opslæmningens sammensætning, faststofindholdet og den krævede kapacitet.
Her er nogle eksempler på anvendelser af Hielschers udvaskningsteknologi:
Kan Hielscher-ultralydsapparater køre i kontinuerlig drift?
Ja. Hielschers industrielle ultralydsenheder, såsom UIP500hdT (500 W) op til UIP16000hdT (16.000 W), er konstrueret til kontinuerlig drift 24 timer i døgnet, 7 dage om ugen. De kan konfigureres til batchbehandling, recirkulation eller kontinuerlig forarbejdning via en ultralydsflowcelle. Til udvaskning af aske er der integreret et anlæg til pumpning af slam, temperaturregulering og den valgte udvaskningskemikalie.
Kan ultralydsudvaskning skaleres op til industriel produktion?
Ja, Hielschers ultralydsapparater muliggør en lineær opskalering. Hielscher tilbyder udstyr til laboratorieforsøg, pilotproduktion og industriel produktion, herunder 16 kW-processorer, der kan kombineres i klynger. Opskaleringen starter med forsøg for at fastlægge passende amplitude, energitilførsel, temperatur og opholdstid. Disse resultater danner grundlaget for valg af reaktorkapacitet og validering af ekstraktionsydelsen ved den krævede gennemstrømning.
Er ultralyd et alternativ til syrebehandling eller aktiveringsristning?
Ultralyd fremmer udvaskningsprocessen, mens kemiske reagenser tilvejebringer de kemiske betingelser, der er nødvendige for at opløse de ønskede grundstoffer. Visse askeformer kan også kræve en forbehandling for at gøre de modstandsdygtige mineralfaser tilgængelige.
Hvilke procesparametre kan overvåges?
Alle Hielscher-ultralydsenheder fra 200 watt og opefter understøtter overvågning og automatisk registrering af amplitude, effekt, behandlingstid og temperatur, og der kan foretages trykmåling ved hjælp af en valgfri sensor. Disse data gør det muligt at sammenligne forsøg og pålideligt genskabe driftsbetingelserne. Udvindingsgraden for sjældne jordarters elementer skal bestemmes separat gennem kemisk analyse af udgangsmaterialet, udvaskningsvæsken og de tilbageværende faste stoffer.
Kan ultralydsudstyr anvendes til sure, slibende askeopslæmninger?
Hielscher Ultrasonics tilbyder løsninger til ultralydsbehandling af sure, slibende askeslam. Sonotroder, gennemstrømningsceller, tætninger og andre komponenter, der kommer i kontakt med væsken, skal vælges under hensyntagen til syresammensætning, koncentration, temperatur og partiklernes slibevirkning.
Betyder en højere udvaskningseffektivitet, at den endelige udvinding af sjældne jordarter bliver større?
Ja, en højere udvaskningseffektivitet betyder, at en større del af måleelementet overføres til den flydende fase. Fremstillingen af et brugbart sjældenerdsprodukt kræver desuden efterfølgende adskillelse og rensning. Den samlede udvinding afhænger af ydeevnen i den samlede proces.
Hvordan vælger jeg en Hielscher-ultralydsapparat til min proces?
Start med repræsentative askeprøver, og fastlæg målelementerne, slurrykoncentrationen, udvaskningskemien, batchvolumenet eller gennemstrømningshastigheden samt det ønskede udvindingsudbytte. Hos Hielscher kan vi hjælpe dig med at vælge udstyr til gennemførlighedsforsøg og den efterfølgende lineære opskalering. Vores tekniske center og proceslaboratorium tilbyder også forsøg til støtte for udvælgelsen af udstyr.
Litteratur / Referencer
- 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 fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.