Ultralydsudludning af ædelmetaller

Højenergiultralyd er en effektiv teknik til at ekstrahere metaller såsom ædelmetaller og sjældne jordarter. Denne proces til ultralydsassisteret faststof-væske-ekstraktion kaldes sonoudludning, udludning eller vask. Robuste industrielle ultralydsapparater kan nemt installeres til at udlude sjældne jordarter fra malme, behandle opslæmninger fra minedrift med henblik på en mere fuldstændig genvinding eller adskille metaller af høj værdi (f.eks. Cu, Zn, Ni) fra mindre værdifulde metaller.

Ultralydsudludning fremmer reaktionen gennem masseoverførsel og opløsning, så der opnås højere udbytter på kortere ekstraktionstid.
De vigtigste fordele ved ultralydsudludning er:

• højere udbytte
• mere fuldstændig udludning
• reduceret reagensforbrug
• mildere betingelser
• enkel afprøvning af gennemførligheden
• lineær opskalering
• nem installation af ultralydssystemer i fuld kommerciel skala
• meget robuste ultralydsapparater til strømme med stor volumen

Ultralydsudludning af ædelmetaller: Hurtigere ekstraktion gennem kavitationskemi

Genvinding af ædelmetaller såsom guld, sølv, platin, palladium og rhodium er en hjørnesten i moderne metallurgi og genanvendelse – især ved behandling af malme, koncentrater og sekundære ressourcer såsom elektronikskrot og katalysatorer fra køretøjer. Selvom konventionel udludning er veletableret, begrænses den ofte af langsom masseoverførsel, overfladepassivering, ufuldstændig frigørelse af værdifulde faser og højt reagensforbrug.
Ultralydsudludning afhjælper mange af disse flaskehalse ved at tilføre ultralyd med høj intensitet til udludningsopslæmningen, hvilket øger reaktionskinetikken markant gennem et fænomen kendt som akustisk kavitation.

Den centrale mekanisme: Akustisk kavitation

Når ultralyd med høj effekt kobles ind i en væske, skaber den mikroskopiske kavitationsbobler, som hurtigt dannes og kollapser. Dette kollaps skaber ekstreme lokale forhold, herunder:

• intens mikroblanding og forskydningskræfter
• mikrostråler med høj hastighed rettet mod faste overflader
• lokale varmezoner (meget høje temperaturer og tryk i mikrosekunder)

Selvom disse virkninger forekommer på mikroskopisk skala, påvirker de den makroskopiske udludningsproces kraftigt ved løbende at forny den reaktive overflade og accelerere transporten af reagenser til og fra de faste partikler.

Ultralydsforstærket syreudludning foregår tolv gange hurtigere end konventionel syreudludning 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

Hvorfor ultralyd forbedrer udludningen af ædelmetaller

I de fleste udludningssystemer er det hastighedsbegrænsende trin ikke selve den kemiske reaktion, men derimod transporten af reaktanter gennem grænselag, porer eller passiverende overfladefilm. Ultralydskavitation forbedrer udludningseffektiviteten gennem flere synergistiske virkninger:

1. Forbedret masseoverførsel
   Ultralyd reducerer tykkelsen af det stillestående diffusionslag, der omgiver faste partikler. Dette gør det muligt for udludningsmidler (f.eks. cyanid, thiosulfat, chlorid, iodid, thiourinstof eller sure systemer) at nå den metalholdige overflade hurtigere, mens opløste metalkomplekser fjernes mere effektivt.
2. Aktivering af partikeloverflader
   Mikrostråler og chokbølger fra kavitation eroderer, renser og gør løbende partikeloverflader ru. Dette blotlægger friske mineralfaser og øger det effektive reaktive areal – hvilket er særligt vigtigt i svært udludelige malme eller belagte partikler.
3. Nedbrydning af passiveringslag
   Mange ædelmetalholdige mineraler danner overfladelag under udludning (f.eks. oxider, sulfater, elementært svovl eller siliciumdioxidfilm). Ultralyd kan fysisk bryde disse barrierer op og dermed genoprette udludningsmidlets adgang til den underliggende metalfase.
4. Forbedret indtrængning i porøse faste stoffer
   For koncentrater, katalysatorer og partikler fra elektronikaffald hjælper ultralyd med at presse væske ind i porer og mikrorevner, hvilket forbedrer reagensernes adgang til indlejrede ædelmetaller.

Partikelstørrelsesfordelinger efter ultralydsudludning og konventionel udludning
Billede og undersøgelse: © Canciani et al., 2024

Anvendelser: Fra malme til urban minedrift

Ultralydsudludning undersøges i stigende grad for både primære og sekundære ressourcer:

• Guld og sølv
  Højenergiultralyd har vist sig at accelerere udludning af guld i cyanid og alternative udludningsmidler ved at forbedre transporten og fjerne passiveringseffekter. Den er også relevant for genvinding af sølv fra malme og industrielle restprodukter.
• Platingruppemetaller (PGM’er)
  Genvinding af platin, palladium og rhodium – især fra brugte katalysatorer fra køretøjer – er ofte baseret på chloridbaserede eller sure udludningssystemer. Ultralyd forbedrer opløsningskinetikken ved at intensivere overfladereaktioner og forbedre nedbrydningen af komplekse keramik-/metalmatricer.
• Elektronikskrot
  Printplader og elektroniske komponenter indeholder værdifulde ædelmetaller, men udgør betydelige diffusionsbarrierer på grund af polymerer, oxider og strukturer af flere materialer. Ultralydsbehandling forbedrer udludningens ensartethed og kan reducere den nødvendige udludningstid.
• Sjældne jordarter fra kulaske
  Kulaske kan indeholde værdifulde metaller og sjældne jordarter, som ofte er bundet i mineralfaser eller en glasagtig aluminosilikatmatrix. Ultralydsbehandling forbedrer kontakten mellem askepartiklerne og udludningsopløsningen, hvilket kan øge ekstraktionseffektiviteten og forkorte udludningstiden.
  Læs mere om ultralydsudludning af sjældne jordarter fra aske!

Vigtige procesfordele

Set fra et procesteknisk perspektiv giver ultralydsudludning flere målbare fordele:

• kortere udludningstider gennem accelereret kinetik
• højere ekstraktionsudbytter som følge af forbedret adgang til overfladen
• lavere reagensforbrug i mange systemer (mindre overskud af udludningsmiddel er nødvendigt)
• forbedret reproducerbarhed gennem bedre dispergering og blanding
• potentielt lavere driftstemperatur, fordi ultralyd kompenserer for langsommere termisk kinetik

Procesovervejelser og opskalering

Vellykket ultralydsudludning afhænger i høj grad af procesdesignet. Kritiske parametre omfatter:

• ultralydens effekttæthed og amplitude
• opslæmningens koncentration og partikelstørrelsesfordeling
• reaktorgeometri og strømningsforhold
• temperaturstyring
• valg af udludningskemi (sur, alkalisk, chlorid osv.)

Det er vigtigt, at implementering i industriel skala kræver ultralydsreaktorer af sondetypen med høj effekt, da ultralydsbade typisk ikke tilfører tilstrækkelig energi til tætte udludningsopslæmninger. Inline-ultralydsflowceller kan integreres i kontinuerlige udludningskredsløb, hvilket muliggør skalerbar drift. Hielschers højtydende sonikatorer er bygget til behandling af store volumener under krævende forhold – de øger udbytterne af udludede metaller og reducerer samtidig behandlingstiden og miljøpåvirkningen.

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielschers ultralydsapparater er kendt for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør problemfri integration af vores ultralydsapparater i industrielle anlæg. Barske forhold og krævende miljøer håndteres nemt af Hielschers ultralydsapparater.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Hielschers ultralydsapparater er naturligvis CE-konforme og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Litteratur / Referencer

• 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.