Ultralydsudvaskning af sjældne jordarter fra aske
Ultralydsudvaskning kan øge ekstraktionsudbyttet og forkorte behandlingstiden ved genvinding af sjældne jordarter fra aske. Ved at forbedre kontakten mellem askepartikler og udvaskningsmidler fremskynder højintensiv ultralyd opløsningen og bidrager til at gøre værdifulde grundstoffer mere tilgængelige. Undersøgelser af kulflyveaske viser potentialet: Forskere rapporterede en ekstraktion af yttrium på 97%, mens en separat undersøgelse af gallium og vanadium reducerede syreudvaskningstiden fra 180 til 20 minutter.
Aske som en sekundær ressource for sjældne jordarter
Aske udgør en lovende sekundær ressource for sjældne jordarter (REE). Restprodukter fra kulforbrænding kan indeholde yttrium og andre sjældne jordarter, der anvendes i elektronik, energiteknologier og avancerede materialer. Genvinding af disse grundstoffer fra eksisterende askestrømme og depoter kan give en mere diversificeret råvareforsyning og omdanne et materiale til bortskaffelse til et nyttigt udgangsmateriale.
Ekstraktionspotentialet afhænger af både grundstofkoncentrationen og tilgængeligheden. En aske kan indeholde værdifulde grundstoffer, men alligevel kun frigive en begrænset andel under udvaskning, hvis den omgivende mineralmatrix begrænser reagensernes adgang. Derfor skal askens sammensætning, forbehandlingen og udvaskningskemien vurderes samlet. Genvinding af flere værdifulde grundstoffer fra samme udgangsmateriale kan også forbedre en proces’ muligheder.
Ultralydsudvaskning fragmenterer askepartikler og gør sjældne jordarter tilgængelige for udvaskningsreagenser. Ved at forbedre masseoverførslen mellem partikler og reagens øger sonikering genvindingen og forkorter samtidig behandlingstiden!
Industriel installation af sonikatorer fra Hielscher: Sonikatorklynge på 48kW til inline-udvaskning af sjældne jordarter fra kulaske
Hvordan ultralyd forbedrer udvaskning af aske
Højintensiv ultralyd intensiverer faststof–væske-ekstraktion gennem akustisk kavitation. Mikroskopiske bobler dannes og kollapser i væsken og skaber lokale forskydningskræfter, mikrostråler og intensiv blanding. Disse virkninger kan dispergere partikelagglomerater, rense eksponerede overflader og forbedre transporten af udvaskningsmidler til reaktive steder. Opløste kemiske arter transporteres hurtigere væk, hvilket bidrager til at opretholde opløsningen.
Ved behandling af aske giver disse virkninger flere praktiske fordele:
- Hurtigere udvaskning: Forbedret masseoverførsel kan forkorte den tid, der kræves for at ekstrahere tilgængelige metaller.
- Højere ekstraktionsudbytte: Forbedret overfladekontakt kan bidrage til at frigive materiale, der fortsat er utilstrækkeligt udvasket ved konventionel blanding.
- Kombination med forbehandling: Ultralyd kan intensivere udvaskningstrinnet, efter at aktivering har gjort modstandsdygtige faser mere tilgængelige.
- Fleksibel procesudvikling: Sonikering kan udvikles og tilpasses til varierende syrekoncentration, faststofindhold, temperatur og behandlingstid.
Forskningseksempler: Højt udbytte og kortere udvaskningstider
Følgende undersøgelser illustrerer disse fordele under specifikke forsøgsbetingelser. Yttrium er en sjælden jordart; gallium og vanadium er andre værdifulde metaller. Ekstraktionen af disse grundstoffer giver supplerende dokumentation for ultralydsbehandling af aske.
Yttrium og vanadium: Op til 97% og 100% ekstraktion
Masoum et al. (2021) undersøgte ekstraktion af vanadium og yttrium fra kulflyveaske ved hjælp af svovlsyre, hydrogenperoxid og ultralyd. Forskerne anvendte responsoverflademetodik til at optimere forholdet mellem faststof og væske samt andelene af svovlsyre og hydrogenperoxid. Under de optimerede betingelser nåede den rapporterede ekstraktion 100% for vanadium og 97% for yttrium.
En modificeret model for en krympende kerne viste, at massediffusion styrede reaktionshastigheden. Dette resultat fremhæver betydningen af transportprocesser i det undersøgte system og understøtter et fokus på masseoverførsel under procesoptimering. Resultaterne viser, at en høj ekstraktion af yttrium kan opnås med den kombinerede behandling, selv om de rapporterede udbytter afspejler det samlede reagens- og ultralydssystem.
FESEM-billeder af ubehandlet 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 et al. (2026) undersøgte ultralydsbaseret syreudvaskning efter aktiverende ristning med natriumcarbonat. Den optimerede forbehandling bestod af ristning ved 850°C i 60 minutter med et masseforhold mellem flyveaske og Na₂CO₃ på 2:1. Den efterfølgende ultralydsbaserede syreudvaskning opnåede en høj ekstraktion af gallium og vanadium inden for 20 minutter.
| Parameter | Ultralydsudvaskning efter aktiverende ristning | Konventionel udvaskning |
|---|---|---|
| Udvaskningstid | 20 min | 180 min |
| Udvaskningseffektivitet for gallium | 98,14% | 63,81% |
| Udvaskningseffektivitet for vanadium | 92,32% | 83,56% |
Reduktionen fra 180 til 20 minutter svarer til et 88,89% kortere udvaskningstrin. Kinetisk analyse viste øgede hastighedskonstanter og en forbedring af både masseoverførsel og reaktionsprocesser ved fasegrænsefladen. Disse resultater viser potentialet ved at kombinere aktiverende ristning med ultralydsudvaskning. Tidsbesparelsen gælder udvaskningen; ristning er fortsat et yderligere behandlingstrin.
Ultralydsforstærket syreudvaskning foregår med en hastighed, der er tolv gange så høj som ved konventionel syreudvaskning, på grund af den gavnlige mekaniske virkning af kavitationsbobler, der brister nær overfladen. Dette fænomen forbedrer blandingen af syreopløsningen og forbedrer dermed transportegenskaberne.
Billede og undersøgelse: © Canciani et al., 2024
2 industrielle sonikatorer UIP4000hdT til krævende behandling
Udvikl din ultralydsudvaskningsproces til høj genvinding af sjældne jordarter
Ved praktisk ekstraktion af sjældne jordarter efterfølges udvaskning af separation og oprensning af de opløste grundstoffer. En høj udvaskningseffektivitet er derfor et vigtigt mellemresultat snarere end udbyttet af et færdigt produkt af sjældne jordarter. Procesevalueringen bør omfatte efterfølgende genvinding, reagensforbrug og den energi, der kræves til både forbehandling og sonikering.
Hielscher tilbyder bordsonikatorer i industriel kvalitet og ultralydsflowreaktorer til krævende drift til udvikling og implementering af intensiverede udvaskningsprocesser. Udstyrsvalg og forsøg kan fastlægge passende amplitude, faststofindhold, opholdstid og temperaturstyring for en bestemt aske.
Enkel opskalering til store volumener: Når parametrene for optimal genvinding er fastlagt, kan de derefter opskaleres lineært til ethvert kommercielt udvaskningsvolumen.
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer til blandingsopgaver, dispergering, emulgering og ekstraktion i laboratorie-, pilot- og industriskala.
SEM-billeder af partikler på forskellige tidspunkter under konventionel (a–c) udvaskning og ultralydsudvaskning (d–f).
Billede og undersøgelse: © Canciani et al., 2024
Ofte stillede spørgsmål
Hvordan forbedrer ultralyd udvaskningen af sjældne jordarter fra aske?
Ultralyd skaber akustisk kavitation i udvaskningssuspensionen. Kollapsende bobler frembringer intensiv lokal blanding, forskydningskræfter og mikrostråler, som forbedrer kontakten mellem askepartikler og udvaskningsopløsningen. Disse virkninger blotlægger reaktive overflader og fremskynder masseoverførslen, hvilket bidrager til at øge ekstraktionsudbyttet og forkorte udvaskningstiden.
Hvilke sjældne jordarter og værdifulde metaller kan udvaskes fra aske?
Afhængigt af oprindelse og mineralsammensætning kan aske udvaskes for at ekstrahere sjældne jordarter, 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 kommunalt affald.
Hvorfor bruge en sonikator med sonde til krævende drift ved udvaskning af aske?
En sonikator med sonde tilfører ultralydsenergi direkte til suspensionen gennem en sonotrode (ultralydssonde/-stav). Dette muliggør intensiv behandling af faststof–væske-blandinger og giver justerbare procesbetingelser. Hielschers industrielle sonikeringsudstyr understøtter integration i udvaskningskredsløb, hvor kontrolleret energitilførsel og pålidelig drift er afgørende. Konfigurationen bør tilpasses suspensionens sammensætning, faststofindholdet og den krævede behandlingskapacitet.
Her er nogle af Hielschers udvaskningsanvendelser:
Kan sonikatorer fra Hielscher køre kontinuerligt?
Ja. Hielschers industrielle sonikatorer såsom UIP500hdT (500W) og op til UIP16000hdT (16.000W) er designet til kontinuerlig drift 24/7. De kan konfigureres til batchbehandling, recirkulation eller kontinuerlig behandling gennem en ultralydsflowcelle. Ved udvaskning af aske integreres en installation med pumpning af suspensionen, temperaturstyring og den valgte udvaskningskemi.
Kan ultralydsudvaskning opskaleres til industriel produktion?
Ja, sonikatorer fra Hielscher muliggør lineær opskalering. Hielscher tilbyder udstyr til laboratorieforsøg, behandling i pilotskala og industriel produktion, herunder processorer på 16 kW, der kan kombineres i klynger. Opskalering begynder med forsøg for at fastlægge passende amplitude, energitilførsel, temperatur og opholdstid. Disse resultater danner grundlag for at vælge reaktorkapacitet og validere ekstraktionsresultaterne ved den krævede behandlingskapacitet.
Erstatter ultralyd syrer eller aktiverende ristning?
Ultralyd intensiverer udvaskningsprocessen, mens kemiske reagenser leverer den kemi, der er nødvendig for at opløse målgrundstofferne. Visse typer aske kan også kræve forbehandling for at gøre modstandsdygtige mineralfaser tilgængelige.
Hvilke procesparametre kan overvåges?
Alle sonikatorer fra Hielscher fra 200 watt og opefter understøtter overvågning og automatisk registrering af amplitude, effekt, behandlingstid og temperatur, og trykmåling er tilgængelig via en valgfri sensor. Disse data hjælper med at sammenligne forsøg og reproducere driftsbetingelser pålideligt. Ekstraktionseffektiviteten for sjældne jordarter skal bestemmes separat gennem kemisk analyse af tilførselsmaterialet, udvaskningsvæsken og de resterende faste stoffer.
Kan ultralydsudstyr bruges til sure, abrasive askesuspensioner?
Hielscher Ultrasonics tilbyder løsninger til sonikering af sure, abrasive askesuspensioner. Sonotroder, flowceller, tætninger og andre komponenter i kontakt med væsken skal vælges under hensyntagen til syrens sammensætning, koncentration, temperatur og partiklernes abrasivitet.
Betyder højere udvaskningseffektivitet en højere endelig genvinding af sjældne jordarter?
Ja, højere udvaskningseffektivitet betyder, at en større mængde af målgrundstoffet overføres til væskefasen. Fremstilling af et anvendeligt produkt af sjældne jordarter kræver også efterfølgende separation og oprensning. Den samlede genvinding afhænger af den samlede proces’ ydeevne.
Hvordan vælger jeg en sonikator fra Hielscher til min proces?
Start med repræsentative askeprøver, og definer målgrundstofferne, suspensionens koncentration, udvaskningskemien, batchvolumen eller flowhastighed samt det ønskede ekstraktionsudbytte. Vi hos Hielscher kan hjælpe dig med at vælge udstyr til gennemførlighedsforsøg og efterfølgende lineær opskalering. Vores tekniske center og proceslaboratorium tilbyder også forsøg til støtte for valg 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 laboratoriestørrelse til industristørrelse.