Ultraschallgestützte Laugung von Edelmetallen

Leistungsultraschall ist eine wirksame Technik zur Extraktion von Metallen wie Edelmetallen und Seltenen Erden. Dieses Verfahren der ultraschallgestützten Fest-Flüssig-Extraktion wird als Sono-Laugung, Lixiviation oder Auswaschung bezeichnet. Robuste industrielle Ultraschallgeräte lassen sich einfach installieren, um Seltene Erden aus Erzen zu laugen, Bergbaususpensionen für eine vollständigere Rückgewinnung zu behandeln oder wertvolle Metalle (z.B. Cu, Zn, Ni) von weniger wertvollen Metallen zu trennen.

Die ultraschallgestützte Laugung fördert die Reaktion durch Stofftransport und Auflösung, sodass höhere Ausbeuten bei kürzerer Extraktionszeit erzielt werden.
Die wichtigsten Vorteile der ultraschallgestützten Laugung sind:

• höhere Ausbeute
• vollständigere Laugung
• geringerer Reagenzienverbrauch
• mildere Bedingungen
• einfache Machbarkeitsprüfung
• lineare Maßstabsvergrößerung
• einfache Installation von Ultraschallsystemen für den kommerziellen Betrieb im industriellen Maßstab
• sehr robuste Ultraschallgeräte für große Volumenströme

Ultraschallgestützte Laugung von Edelmetallen: Schnellere Extraktion durch Kavitationschemie

Die Rückgewinnung von Edelmetallen wie Gold, Silber, Platin, Palladium und Rhodium ist ein Grundpfeiler der modernen Metallurgie und des Recyclings – insbesondere bei der Verarbeitung von Erzen, Konzentraten und Sekundärrohstoffen wie Elektronikschrott und Katalysatoren. Die konventionelle Laugung ist zwar gut etabliert, wird jedoch häufig durch langsamen Stofftransport, Oberflächenpassivierung, unvollständigen Aufschluss der Wertstoffphasen und hohen Reagenzienverbrauch begrenzt.
Die ultraschallgestützte Laugung setzt an vielen dieser Engpässe an, indem Ultraschall hoher Intensität in die Laugungssuspension eingekoppelt wird. Dadurch wird die Reaktionskinetik durch ein als akustische Kavitation bekanntes Phänomen erheblich beschleunigt.

Der zentrale Mechanismus: Akustische Kavitation

Wenn Hochleistungsultraschall in eine Flüssigkeit eingekoppelt wird, entstehen mikroskopisch kleine Kavitationsblasen, die sich rasch bilden und kollabieren. Dieser Kollaps erzeugt lokal extreme Bedingungen, darunter:

• intensive Mikrodurchmischung und Scherkräfte
• Mikrostrahlen mit hoher Geschwindigkeit, die auf Feststoffoberflächen gerichtet sind
• lokale Hotspots (sehr hohe Temperaturen und Drücke für Mikrosekunden)

Obwohl diese Effekte auf mikroskopischer Ebene auftreten, beeinflussen sie den makroskopischen Laugungsprozess stark, indem sie die reaktive Oberfläche kontinuierlich erneuern und den Transport von Reagenzien zu den Feststoffpartikeln und von ihnen weg beschleunigen.

Die ultraschallunterstützte Säurelaugung läuft zwölfmal so schnell ab wie die konventionelle Säurelaugung, da Kavitationsblasen, die nahe der Oberfläche kollabieren, eine förderliche mechanische Wirkung ausüben. Dieses Phänomen verbessert die Durchmischung der Säurelösung und damit deren Transporteigenschaften.
Abbildung und Studie: © Canciani et al., 2024

Warum Ultraschall die Laugung von Edelmetallen verbessert

In den meisten Laugungssystemen ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt nicht die chemische Reaktion selbst, sondern der Transport der Reaktanten durch Grenzschichten, Poren oder passivierende Oberflächenfilme. Ultraschallkavitation verbessert die Laugungseffizienz durch mehrere synergistische Effekte:

1. Verbesserter Stofftransport
   Ultraschall verringert die Dicke der stagnierenden Diffusionsschicht um die Feststoffpartikel. Dadurch gelangen Laugungsmittel (z.B. Cyanid, Thiosulfat, Chlorid, Iodid, Thioharnstoff oder saure Systeme) schneller an die metallhaltige Oberfläche, während gelöste Metallkomplexe effizienter abtransportiert werden.
2. Aktivierung der Partikeloberfläche
   Kavitationsbedingte Mikrostrahlen und Stoßwellen tragen Partikeloberflächen kontinuierlich ab, reinigen sie und rauen sie auf. Dadurch werden frische Mineralphasen freigelegt und die effektiv reaktive Fläche vergrößert – besonders wichtig bei schwer aufschließbaren Erzen oder beschichteten Partikeln.
3. Aufbrechen von Passivierungsschichten
   Viele edelmetallhaltige Minerale bilden während der Laugung Oberflächenschichten (z.B. aus Oxiden, Sulfaten, elementarem Schwefel oder Siliciumdioxid). Ultraschall kann diese Barrieren mechanisch aufbrechen und so den Zugang des Laugungsmittels zur darunterliegenden Metallphase wiederherstellen.
4. Verbessertes Eindringen in poröse Feststoffe
   Bei Konzentraten, Katalysatoren und Partikeln aus Elektronikschrott hilft Ultraschall dabei, Flüssigkeit in Poren und Mikrorisse zu treiben, wodurch Reagenzien besser an eingebettete Edelmetalle gelangen.

Partikelgrößenverteilungen nach ultraschallgestützter und konventioneller Laugung
Abbildung und Studie: © Canciani et al., 2024

Anwendungen: Von Erzen bis zum Urban Mining

Die ultraschallgestützte Laugung wird zunehmend sowohl für Primär- als auch für Sekundärrohstoffe untersucht:

• Gold und Silber
  Es wurde nachgewiesen, dass Leistungsultraschall die Goldlaugung mit Cyanid und alternativen Laugungsmitteln beschleunigt, indem er den Transport verbessert und Passivierungseffekte beseitigt. Er ist auch für die Silberrückgewinnung aus Erzen und industriellen Rückständen relevant.
• Platingruppenmetalle (PGMs)
  Die Rückgewinnung von Platin, Palladium und Rhodium – insbesondere aus ausgedienten Fahrzeugkatalysatoren – beruht häufig auf chloridbasierten oder sauren Laugungssystemen. Ultraschall beschleunigt die Auflösungskinetik, indem er Oberflächenreaktionen intensiviert und den Aufschluss komplexer Keramik-Metall-Matrizen verbessert.
• Elektronikschrott
  Leiterplatten und elektronische Bauteile enthalten wertvolle Edelmetalle, weisen jedoch aufgrund von Polymeren, Oxiden und Strukturen aus mehreren Materialien erhebliche Diffusionsbarrieren auf. Die Ultraschallbehandlung verbessert die Gleichmäßigkeit der Laugung und kann die erforderliche Laugungszeit verkürzen.
• Seltene Erden aus Kohleaschen
  Kohleasche kann wertvolle Metalle und Seltene Erden enthalten, die häufig in Mineralphasen oder einer glasartigen Alumosilikatmatrix gebunden sind. Die Ultraschallbehandlung verbessert den Kontakt zwischen Aschepartikeln und der Laugungslösung, was die Extraktionseffizienz erhöhen und die Laugungszeit verkürzen kann.
  Lesen Sie mehr über die ultraschallgestützte Laugung von Seltenen Erden aus Aschen!

Wesentliche Prozessvorteile

Aus verfahrenstechnischer Sicht bietet die ultraschallgestützte Laugung mehrere messbare Vorteile:

• kürzere Laugungszeiten durch beschleunigte Kinetik
• höhere Extraktionsausbeuten durch verbesserten Zugang zur Oberfläche
• geringerer Reagenzienverbrauch in vielen Systemen (weniger überschüssiges Laugungsmittel erforderlich)
• verbesserte Reproduzierbarkeit durch bessere Dispergierung und Durchmischung
• potenziell niedrigere Betriebstemperatur, da Ultraschall die langsamere thermische Kinetik ausgleicht

Prozessgestaltung und Maßstabsvergrößerung

Eine erfolgreiche ultraschallgestützte Laugung hängt stark von der Prozessgestaltung ab. Zu den entscheidenden Parametern gehören:

• Ultraschallleistungsdichte und Amplitude
• Suspensionskonzentration und Partikelgrößenverteilung
• Reaktorgeometrie und Strömungsbedingungen
• Temperaturregelung
• Wahl der Laugungschemie (sauer, alkalisch, chloridbasiert usw.)

Für die Umsetzung im industriellen Maßstab sind Hochleistungsultraschallreaktoren mit Sonotroden erforderlich, da Ultraschallbäder in der Regel nicht genügend Energie in konzentrierte Laugungssuspensionen eintragen. Inline-Ultraschalldurchflusszellen können in kontinuierliche Laugungskreisläufe integriert werden und ermöglichen einen skalierbaren Betrieb. Die Hochleistungsultraschallgeräte von Hielscher sind für die Verarbeitung großer Volumina unter anspruchsvollen Bedingungen ausgelegt – sie erhöhen die Ausbeuten der durch Laugung gewonnenen Metalle und verringern zugleich die Verarbeitungszeit und die Umweltbelastung.

Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre höchsten Qualitäts- und Entwicklungsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Die Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen problemlos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind die Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Quellen

• 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.