Ultraschall-gestützte Auslaugung von Selten Erden aus Asche

Bei der Gewinnung von seltenen Erden aus Asche kann die Ultraschall-gestützte Auslaugung die Ausbeuten erhöhen und die Verarbeitungszeiten verkürzen. Durch die Verbesserung des Massetransfers zwischen Aschepartikeln und Auslaugungsmitteln beschleunigt Hochleistungsultraschall das Herauslösen und trägt dazu bei, wertvolle Elemente besser zugänglich zu machen. Studien zu Kohleflugasche belegen das Potenzial: Forscher berichteten von einer Yttrium-Ausbeute von 97 %, während eine separate Studie zu Gallium und Vanadium die Säureauslaugungszeit von 180 auf 20 Minuten verkürzte.

Asche als Sekundärressource für Seltene Erden

Asche stellt eine vielversprechende Sekundärressource für seltene Erden (rare earth elements = REE) dar. Rückstände aus der Kohleverbrennung können Yttrium und andere Seltenerdelemente enthalten, die in der Elektronik, in Energietechnologien und bei Hochleistungswerkstoffen zum Einsatz kommen. Die Rückgewinnung dieser Elemente aus bestehenden Ascheabfällen und -lagerstätten könnte die Rohstoffversorgung diversifizieren und aus einem Entsorgungsgut einen nützlichen Rohstoff machen.
Das Gewinnungspotenzial hängt sowohl von der Konzentration der Elemente als auch von deren Zugänglichkeit ab. Eine Asche kann zwar wertvolle Elemente enthalten, gibt jedoch beim Auslaugen möglicherweise nur einen begrenzten Anteil davon ab, wenn die umgebende Mineralmatrix den Zugang der Reagenzien einschränkt. Daher müssen die Zusammensetzung der Asche, die Vorbehandlung und die Chemie des Auslaugungsprozesses gemeinsam berücksichtigt werden. Die Rückgewinnung mehrerer wertvoller Elemente aus demselben Ausgangsmaterial kann zudem die Aussichten eines Verfahrens verbessern.
Durch die Ultraschallauslaugung werden Aschepartikel zerkleinert, wodurch seltene Erden und andere wertvolle Metalle für die Auslaugungsreagenzien zugänglich gemacht werden. Durch die Verbesserung des Stoffaustauschs zwischen Partikeln und Reagenz erhöht die Ultraschallbehandlung die Ausbeute und verkürzt gleichzeitig die Verarbeitungszeit!

Wie Ultraschall die Auslaugung von Asche verbessert

Hochleistungs-Ultraschall intensiviert die Fest-Flüssig-Extraktion durch akustische Kavitation. In der Flüssigkeit bilden sich mikroskopisch kleine Bläschen, die zusammenbrechen und dabei lokale Scherkräfte, Mikrostrahlen und eine intensive Durchmischung erzeugen. Diese Effekte können Partikelagglomerate aufbrechen, freiliegende Oberflächen reinigen und den Transport von Auslaugungsmitteln zu reaktiven Stellen verbessern. Gelöste Stoffe werden schneller abtransportiert, was dazu beiträgt, den Lösungsprozess aufrechtzuerhalten.

Bei der Ascheaufbereitung bieten diese Effekte mehrere Vorteile:

• Schnellere Auswaschung: Ein verbesserter Stoffaustausch kann die Zeit verkürzen, die zur Gewinnung zugänglicher Metalle benötigt wird.
• Höhere Ausbeuten: Ein verbesserter Oberflächenkontakt kann dazu beitragen, Material freizusetzen, das bei herkömmlichem Mischen nicht ausreichend ausgelaugt wird.
• Kombination mit einer Vorbehandlung: Ultraschall kann die Auslaugungsphase verstärken, nachdem durch die Aktivierung die widerstandsfähigen Phasen besser zugänglich gemacht wurden.
• Flexible Prozessentwicklung: Die Ultraschallbehandlung kann an unterschiedliche Säurekonzentrationen, Feststoffgehalte, Temperaturen und Behandlungszeiten angepasst werden.

Forschungsbeispiele: Hohe Erträge und kürzere Auslaugungszeiten

Die folgenden Studien veranschaulichen diese Vorteile unter bestimmten Versuchsbedingungen. Yttrium ist ein Seltenerdelement; Gallium und Vanadium sind weitere wertvolle Metalle. Ihre Gewinnung liefert ergänzende Belege für die Ultraschallbehandlung von Asche.

Yttrium und Vanadium: Ausbeute von bis zu 97 % bzw. 100 %

Masoum et al. (2021) untersuchten die Extraktion von Vanadium und Yttrium aus Kohleflugasche unter Verwendung von Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid und Ultraschall. Die Forscher wandten die Response-Surface-Methodik an, um das Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis sowie die Anteile von Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid zu optimieren. Unter den optimierten Bedingungen lag die berichtete Ausbeute bei 100 % für Vanadium und bei 97 % für Yttrium.
Ein modifiziertes „Shrinking-Core“-Modell deutete darauf hin, dass die Massendiffusion die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmt. Diese Erkenntnis unterstreicht die Bedeutung von Massetransferprozessen im untersuchten System und spricht dafür, bei der Prozessoptimierung den Stoffaustausch gezielt zu beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen, dass mit der kombinierten Behandlung eine hohe Yttriumausbeute erzielt werden kann, auch wenn die angegebenen Ausbeuten die Gesamtleistung des Reagenz- und Ultraschallsystems widerspiegeln.

FESEM-Aufnahmen von Rohkohleasche: (a) links vor der Auslaugung, (b) nach der Ultraschallauslaugung der Kohleasche.
Studie und Abbildungen: ©Masoum et al., 2021

Gallium und Vanadium: 88,89 % kürzere Auslaugungszeit

Zhang et al. (2026) untersuchten die ultraschall-gestützte Säureauslaugung nach einem Aktivierungsröstvorgang mit Natriumcarbonat. Die optimierte Vorbehandlung bestand aus einem Röstvorgang bei 850°C über 60 Minuten unter Verwendung eines Massenverhältnisses von Flugasche zu Na₂CO₃ von 2:1. Die anschließende Ultraschall-Säureauslaugung ermöglichte innerhalb von 20 Minuten eine hohe Gallium- und Vanadiumausbeute.

Die Verkürzung von 180 auf 20 Minuten entspricht einer um 88,89 % kürzeren Auslaugungsphase. Die kinetische Analyse ergab erhöhte Geschwindigkeitskonstanten sowie eine Verbesserung sowohl der Stoffübertragung als auch der Grenzflächenreaktionsprozesse. Diese Ergebnisse belegen das Potenzial einer Kombination aus Aktivierungsrösten und Ultraschallauslaugung. Die Zeitersparnis bezieht sich auf die Auslaugung; das Rösten bleibt ein zusätzlicher Verarbeitungsschritt.

Die ultraschall-unterstützte Säureauslaugung funktioniert zwölfmal schneller als die herkömmliche Säureauslaugung, was auf die vorteilhafte mechanische Wirkung von Kavitationsblasen zurückzuführen ist, die nahe der Oberfläche implodieren. Dieses Phänomen verbessert die Durchmischung der Säurelösung und damit auch den Stoffaustausch.
Bild und Studie: © Canciani et al., 2024

Entwickeln Sie ein Ultraschall-gestütztes Auslaugungsverfahren für eine hohe Rückgewinnungsrate von Seltenen Erden

Bei der praktischen Gewinnung von Seltenen Erden folgt auf die Auslaugung die Trennung und Reinigung der gelösten Elemente. Eine hohe Auslaugungseffizienz stellt daher eher ein wichtiges Zwischenergebnis dar als die Ausbeute eines fertigen Seltenerdprodukts. Bei der Prozessbewertung sollten die nachgelagerte Rückgewinnung, der Reagenzienverbrauch sowie der Energiebedarf sowohl für die Vorbehandlung als auch für die Ultraschallbehandlung berücksichtigt werden.
Hielscher bietet industrietaugliche Tisch-Ultraschallgeräte und hochbelastbare Ultraschall-Durchflussreaktoren für die Entwicklung und Umsetzung intensiver Auslaugungsprozesse an. Durch die Auswahl der Geräte und entsprechende Versuche lassen sich die geeignete Amplitude, Feststoffbeladung, Verweilzeit und Temperaturregelung für eine bestimmte Asche ermitteln.
Einfache Skalierung auf große Mengen: Die einmal festgelegten Parameter für eine optimale Rückgewinnung lassen sich dann linear auf jedes kommerzielle Auslaugungsvolumen hochskalieren.

REM-Bilder von Partikeln zu verschiedenen Zeitpunkten der konventionellen (a-c) und der Ultraschall-Auslaugung (d-f).
Bild und Studie: © Canciani et al., 2024

Literatur / Literaturhinweise