Ultraschalllaugung von Seltenerdelementen aus Aschen
Die Ultraschalllaugung kann bei der Rückgewinnung von Seltenerdelementen aus Asche die Extraktionsausbeuten erhöhen und die Verarbeitungszeiten verkürzen. Durch die Verbesserung des Kontakts zwischen Aschepartikeln und Laugungsmitteln beschleunigt Leistungsultraschall die Auflösung und trägt dazu bei, wertvolle Elemente besser zugänglich zu machen. Studien zu Kohleflugasche zeigen das Potenzial: Forschende berichteten von einer Yttriumextraktion von 97%, während eine separate Studie zu Gallium und Vanadium die Dauer der Säurelaugung von 180 auf 20 Minuten verkürzte.
Asche als Sekundärrohstoff für Seltenerdelemente
Aschen stellen einen vielversprechenden Sekundärrohstoff für Seltenerdelemente (REEs) dar. Rückstände aus der Kohleverbrennung können Yttrium und andere Seltene Erden enthalten, die in der Elektronik, in Energietechnologien und in modernen Werkstoffen eingesetzt werden. Die Rückgewinnung dieser Elemente aus bestehenden Ascheströmen und Ablagerungen könnte die Rohstoffversorgung diversifizieren und ein zur Entsorgung bestimmtes Material in einen nutzbaren Ausgangsstoff verwandeln.
Das Extraktionspotenzial hängt sowohl von der Konzentration der Elemente als auch von ihrer Zugänglichkeit ab. Eine Asche kann wertvolle Elemente enthalten, bei der Laugung jedoch nur einen begrenzten Anteil freisetzen, wenn die umgebende mineralische Matrix den Zugang der Reagenzien einschränkt. Daher müssen Aschezusammensetzung, Vorbehandlung und Laugungschemie gemeinsam betrachtet werden. Auch die Rückgewinnung mehrerer wertvoller Elemente aus demselben Ausgangsstoff kann die Erfolgsaussichten eines Verfahrens verbessern.
Die Ultraschalllaugung zerkleinert Aschepartikel und macht dadurch Seltene Erden für Laugungsreagenzien zugänglich. Durch die Verbesserung des Stofftransports zwischen Partikeln und Reagenz erhöht die Beschallung die Rückgewinnung und verkürzt zugleich die Verarbeitungszeit!
Industrielle Installation von Ultraschallgeräten von Hielscher: Ultraschallgerätecluster mit 48kW für die Inline-Laugung von Seltenerdelementen aus Kohleaschen
Wie Ultraschall die Aschelaugung verbessert
Leistungsultraschall intensiviert die Fest-Flüssig-Extraktion durch akustische Kavitation. In der Flüssigkeit bilden sich mikroskopisch kleine Blasen, die kollabieren und dabei lokale Scherkräfte, Mikrostrahlen und eine intensive Durchmischung erzeugen. Diese Effekte können Partikelagglomerate dispergieren, freiliegende Oberflächen reinigen und den Transport von Laugungsmitteln zu reaktiven Stellen verbessern. Gelöste Spezies werden schneller abtransportiert, was dazu beiträgt, die Auflösung aufrechtzuerhalten.
Für die Ascheverarbeitung bieten diese Effekte mehrere praktische Vorteile:
- Schnellere Laugung: Ein verbesserter Stofftransport kann die Zeit verkürzen, die zur Extraktion zugänglicher Metalle benötigt wird.
- Höhere Extraktionsausbeuten: Ein verbesserter Oberflächenkontakt kann dazu beitragen, Material freizusetzen, das bei konventioneller Durchmischung unzureichend gelaugt bleibt.
- Kombination mit einer Vorbehandlung: Ultraschall kann die Laugungsstufe intensivieren, nachdem eine Aktivierung schwer aufschließbare Phasen besser zugänglich gemacht hat.
- Flexible Prozessentwicklung: Die Ultraschallbehandlung kann für unterschiedliche Säurekonzentrationen, Feststoffgehalte, Temperaturen und Behandlungszeiten entwickelt und daran angepasst werden.
Beispiele aus der Forschung: Hohe Ausbeuten und kürzere Laugungszeiten
Die folgenden Studien veranschaulichen diese Vorteile unter bestimmten Versuchsbedingungen. Yttrium ist ein Seltenerdelement; Gallium und Vanadium sind weitere wertvolle Metalle. Ihre Extraktion liefert ergänzende Belege für die Ultraschallverarbeitung von Asche.
Yttrium und Vanadium: Bis zu 97% bzw. 100% Extraktion
Masoum et al. (2021) untersuchten die Extraktion von Vanadium und Yttrium aus Kohleflugasche unter Einsatz von Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid und Ultraschall. Die Forschenden verwendeten die Antwortflächenmethodik, um das Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis sowie die Anteile von Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid zu optimieren. Unter den optimierten Bedingungen lag die berichtete Extraktionsausbeute bei 100% für Vanadium und 97% für Yttrium.
Ein modifiziertes „Shrinking-Core“-Modell deutete darauf hin, dass die Stoffdiffusion die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmte. Dieser Befund unterstreicht die Bedeutung von Transportprozessen im untersuchten System und spricht dafür, bei der Prozessoptimierung gezielt den Stofftransport zu verbessern. Die Ergebnisse zeigen, dass mit der kombinierten Behandlung eine hohe Yttriumextraktion erreichbar ist, wobei die berichteten Ausbeuten das gesamte System aus Reagenzien und Ultraschall widerspiegeln.
FESEM-Aufnahmen von unbehandelter Kohleasche: (a) links, vor der Laugung der Kohleasche, (b) nach der Ultraschalllaugung.
Studie und Bilder: ©Masoum et al., 2021
Gallium und Vanadium: 88,89% kürzere Laugungszeit
Zhang et al. (2026) untersuchten die ultraschallunterstützte Säurelaugung nach einer aktivierenden Röstung mit Natriumcarbonat. Die optimierte Vorbehandlung bestand aus einer Röstung bei 850°C für 60 Minuten mit einem Massenverhältnis von Flugasche zu Na₂CO₃ von 2:1. Die anschließende ultraschallunterstützte Säurelaugung erzielte innerhalb von 20 Minuten eine hohe Gallium- und Vanadiumextraktion.
| Parameter | Ultraschalllaugung nach aktivierender Röstung | Konventionelle Laugung |
|---|---|---|
| Laugungszeit | 20 min | 180 min |
| Laugungseffizienz für Gallium | 98,14% | 63,81% |
| Laugungseffizienz für Vanadium | 92,32% | 83,56% |
Die Verkürzung von 180 auf 20 Minuten entspricht einer um 88,89% kürzeren Laugungsstufe. Die kinetische Analyse deutete auf erhöhte Geschwindigkeitskonstanten sowie eine Verbesserung sowohl des Stofftransports als auch der Reaktionsprozesse an der Grenzfläche hin. Diese Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial der Kombination aus aktivierender Röstung und Ultraschalllaugung. Die Zeitersparnis bezieht sich auf die Laugung; die Röstung bleibt ein zusätzlicher Verarbeitungsschritt.
Die ultraschallunterstützte Säurelaugung erfolgt mit der zwölffachen Geschwindigkeit der konventionellen Säurelaugung, bedingt durch die förderliche mechanische Wirkung von Kavitationsblasen, die nahe der Oberfläche kollabieren. Dieses Phänomen verbessert die Durchmischung der Säurelösung und dadurch die Transporteigenschaften.
Bild und Studie: © Canciani et al., 2024
2 Industrie-Ultraschallgeräte UIP4000hdT für anspruchsvolle Verarbeitungsprozesse
Entwickeln Sie Ihren Ultraschalllaugungsprozess für eine hohe Rückgewinnung Seltener Erden
Bei der praktischen Extraktion Seltener Erden folgen auf die Laugung die Abtrennung und Reinigung der gelösten Elemente. Eine hohe Laugungseffizienz stellt daher ein wichtiges Zwischenergebnis dar und nicht die Ausbeute eines fertigen Seltenerdprodukts. Die Prozessbewertung sollte die nachgeschaltete Rückgewinnung, den Reagenzieneinsatz und die sowohl für die Vorbehandlung als auch für die Beschallung erforderliche Energie berücksichtigen.
Hielscher bietet Tisch-Ultraschallgeräte in Industriequalität und robuste Ultraschall-Durchflussreaktoren für die Entwicklung und Umsetzung intensivierter Laugungsprozesse. Durch die Geräteauswahl und Versuche lassen sich geeignete Werte für Amplitude, Feststoffgehalt und Verweilzeit sowie eine geeignete Temperaturregelung für eine bestimmte Asche ermitteln.
Einfache Maßstabsvergrößerung auf große Volumina: Einmal ermittelte Parameter für eine optimale Rückgewinnung können anschließend linear auf jedes kommerzielle Laugungsvolumen übertragen werden.
Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.
REM-Aufnahmen von Partikeln zu verschiedenen Zeitpunkten der konventionellen (a–c) und der Ultraschalllaugung (d–f).
Bild und Studie: © Canciani et al., 2024
Häufig gestellte Fragen
Wie verbessert Ultraschall die Laugung Seltener Erden aus Asche?
Ultraschall erzeugt akustische Kavitation in der Laugungssuspension. Kollabierende Blasen erzeugen eine intensive lokale Durchmischung, Scherkräfte und Mikrostrahlen, die den Kontakt zwischen Aschepartikeln und Laugungslösung verbessern. Diese Effekte legen reaktive Oberflächen frei und beschleunigen den Stofftransport, was dazu beiträgt, die Extraktionsausbeuten zu erhöhen und die Laugungszeiten zu verkürzen.
Welche Seltenerdelemente und wertvollen Metalle lassen sich aus Aschen laugen?
Je nach Herkunft und mineralischer Zusammensetzung können Aschen gelaugt werden, um Seltenerdelemente zu extrahieren, darunter Lanthan (La), Cer (Ce), Neodym (Nd), Dysprosium (Dy), Yttrium (Y) und Scandium (Sc). Kohleflugasche ist eine potenzielle Quelle dieser Elemente.
Weitere wertvolle Metalle sind Gallium (Ga) und Vanadium (V) in geeigneten Kohleaschen sowie Kupfer (Cu) und Zink (Zn) in Aschen aus der Verbrennung von Siedlungsabfällen.
Warum sollte für die Aschelaugung ein robustes Ultraschallgerät mit Sonotrode eingesetzt werden?
Ein Ultraschallgerät mit Sonotrode leitet Ultraschallenergie über eine Sonotrode (Ultraschallsonde bzw. Ultraschallstab) direkt in die Suspension ein. Dies ermöglicht eine intensive Behandlung von Fest-Flüssig-Gemischen und bietet einstellbare Verarbeitungsbedingungen. Die industriellen Ultraschallanlagen von Hielscher ermöglichen die Integration in Laugungskreisläufe, in denen ein kontrollierter Energieeintrag und ein zuverlässiger Betrieb entscheidend sind. Die Konfiguration sollte auf die Zusammensetzung der Suspension, den Feststoffgehalt und den erforderlichen Durchsatz abgestimmt sein.
Hier sind einige Laugungsanwendungen von Hielscher:
Können Ultraschallgeräte von Hielscher kontinuierlich betrieben werden?
Ja. Die Industrie-Ultraschallgeräte von Hielscher, vom UIP500hdT (500W) bis zum UIP16000hdT (16.000W), sind für den kontinuierlichen 24/7-Betrieb ausgelegt. Sie können für die Chargenbehandlung, den Umwälzbetrieb oder die kontinuierliche Verarbeitung durch eine Ultraschall-Durchflusszelle konfiguriert werden. Bei der Aschelaugung wird eine Anlage in die Förderung der Suspension, die Temperaturregelung und die gewählte Laugungschemie integriert.
Lässt sich die Ultraschalllaugung auf die industrielle Produktion skalieren?
Ja, Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglichen eine lineare Maßstabsvergrößerung. Hielscher bietet Geräte für Laborversuche, die Verarbeitung im Pilotmaßstab und die industrielle Produktion, darunter 16-kW-Prozessoren, die zu Clustern kombiniert werden können. Die Maßstabsvergrößerung beginnt mit Versuchen zur Ermittlung einer geeigneten Amplitude, eines geeigneten Energieeintrags sowie einer geeigneten Temperatur und Verweilzeit. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für die Auswahl der Reaktorkapazität und die Validierung der Extraktionsleistung beim erforderlichen Durchsatz.
Ersetzt Ultraschall Säuren oder eine aktivierende Röstung?
Ultraschall intensiviert den Laugungsprozess, während chemische Reagenzien die für die Auflösung der Zielelemente erforderliche Chemie bereitstellen. Manche Aschen benötigen möglicherweise auch eine Vorbehandlung, um schwer aufschließbare mineralische Phasen zugänglich zu machen.
Welche Prozessparameter können überwacht werden?
Alle Ultraschallgeräte von Hielscher ab 200 Watt unterstützen die Überwachung und automatische Aufzeichnung von Amplitude, Leistung, Behandlungszeit und Temperatur; eine Druckmessung ist über einen optionalen Sensor verfügbar. Diese Daten helfen, Versuche zu vergleichen und Betriebsbedingungen zuverlässig zu reproduzieren. Die Extraktionseffizienz für Seltenerdelemente muss separat durch chemische Analyse des Ausgangsmaterials, des Laugats und der verbleibenden Feststoffe bestimmt werden.
Können Ultraschallgeräte mit sauren, abrasiven Aschesuspensionen eingesetzt werden?
Hielscher Ultrasonics bietet Lösungen zur Beschallung saurer, abrasiver Aschesuspensionen. Sonotroden, Durchflusszellen, Dichtungen und andere medienberührte Komponenten müssen unter Berücksichtigung der Säurezusammensetzung, der Konzentration, der Temperatur und der Abrasivität der Partikel ausgewählt werden.
Bedeutet eine höhere Laugungseffizienz eine höhere Endausbeute an Seltenen Erden?
Ja, eine höhere Laugungseffizienz bedeutet, dass ein größerer Anteil des Zielelements in die Flüssigphase überführt wird. Die Herstellung eines nutzbaren Seltenerdprodukts erfordert außerdem eine nachgeschaltete Abtrennung und Reinigung. Die Gesamtrückgewinnung hängt von der Leistungsfähigkeit des gesamten Prozesses ab.
Wie wähle ich ein Ultraschallgerät von Hielscher für meinen Prozess aus?
Beginnen Sie mit repräsentativen Ascheproben und legen Sie die Zielelemente, die Suspensionskonzentration, die Laugungschemie, das Chargenvolumen oder den Volumenstrom sowie die gewünschte Extraktionsausbeute fest. Wir bei Hielscher können Ihnen bei der Auswahl von Geräten für Machbarkeitsversuche und die anschließende lineare Maßstabsvergrößerung helfen. Unser Technikum und unser Prozesslabor bieten ebenfalls Versuche zur Unterstützung der Geräteauswahl an.
Literatur / Referenzen
- 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 stellt leistungsstarke Ultraschallhomogenisatoren vom Labormaßstab bis zum Industriemaßstab her.