Edelmetall-Laugung mittels Ultraschall

Leistungs-Ultraschall ist eine effektive Methode, um Metalle, wie z.B. Edelmetallen und seltenen Erden, zu extrahieren. Dieser Prozess der ultraschallgestützten Feststoff-Flüssig-Extraktion ist auch als Sono-Laugung, Auslaugung oder chemische Waschung bekannt. Robuste industrielle Ultraschallanlagen können leicht installiert werden, um seltene Erden aus Erzen zu laugen, um Minen- und Abraumschlämme für eine vollständigere Ausbeute zu behandeln oder um wertvolle Metalle (z.B. Cu, Zn, Ni) von weniger wertvollen Metallen zu trennen.

Das Ultraschall-Laugen verbessert die chemische Reaktion durch erhöhten Stoffaustausch und unterstützt das Herauslösen, so dass höhere Erträge in kürzerer Extraktionszeit erzielt werden können.
Zu den wichtigsten Vorteilen der Ultraschall-Laugung zählen:

• höhere Ausbeute
• vollständigere Auslaugung
• reduzierter Reagenzienverbrauch
• mildere Bedingungen
• einfache Machbarkeitsstudien
• lineares Scale-up
• einfache Installation von Ultraschallindustrieanlagen
• sehr robuste Ultraschallsysteme für hohe Volumina

Auslaugen von Edelmetallen mit Ultraschall: Schnellere Extraktion durch Kavitationschemie

Die Rückgewinnung von Edelmetallen wie Gold, Silber, Platin, Palladium und Rhodium ist ein Eckpfeiler 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 aber häufig durch langsamen Stoffaustausch, Oberflächenpassivierung, unvollständige Freisetzung wertvoller Phasen und hohen Reagenzienverbrauch eingeschränkt.
Die Ultraschalllaugung behebt viele dieser Engpässe, indem hochintensiver Ultraschall in die Laugungsaufschlämmung eingebracht wird, was die Reaktionskinetik durch ein als akustische Kavitation bekanntes Phänomen dramatisch intensiviert.

Der zentrale Mechanismus: Akustische Kavitation

Wenn Hochleistungs-Ultraschall in eine Flüssigkeit eingekoppelt wird, entstehen mikroskopisch kleine Kavitationsblasen, die sich schnell bilden und zusammenfallen. Dieses Kollabieren führt zu extremen lokalen Bedingungen, darunter:

• intensive Mikrovermischung und Scherkräfte
• Hochgeschwindigkeits-Mikrostrahlen, die auf feste Oberflächen gerichtet sind
• lokalisierte Hot Spots (sehr hohe Temperaturen und Drücke für Mikrosekunden)

Obwohl diese Effekte auf mikroskopischer Ebene auftreten, beeinflussen sie den makroskopischen Auslaugungsprozess stark, indem sie die reaktive Oberfläche ständig erneuern und den Transport der Reagenzien zu und von den festen Partikeln beschleunigen.

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

Warum Ultraschall die Auslaugung von Edelmetallen verbessert

In den meisten Auslaugsystemen ist der geschwindigkeitsbeschränkende Schritt nicht die chemische Reaktion selbst, sondern der Transport der Reaktanten durch Grenzschichten, Poren oder passivierende Oberflächenfilme. Die Ultraschallkavitation verbessert die Auslaugungseffizienz durch mehrere Synergieeffekte:

1. Erhöhter Stoffaustausch
   Ultraschall verringert die Dicke der stagnierenden Diffusionsschicht, die die festen Partikel umgibt. Dadurch können Belebungsmittel (z. B. Cyanid, Thiosulfat, Chlorid, Jodid, Thioharnstoff oder saure Systeme) die metallhaltige Oberfläche schneller erreichen, während gelöste Metallkomplexe effizienter entfernt werden.
2. Aktivierung der Partikeloberfläche
   Kavitations-Mikrodüsen und Schockwellen erodieren, reinigen und rauen die Partikeloberflächen kontinuierlich auf. Dadurch werden neue Mineralphasen freigelegt und die effektive reaktive Fläche vergrößert – besonders wichtig bei feuerfesten Erzen oder beschichteten Partikeln.
3. Unterbrechung der Passivierungsschichten
   Viele edelmetallhaltige Minerale bilden bei der Auslaugung Oberflächenschichten (z. B. Oxide, Sulfate, elementarer Schwefel oder Kieselsäurefilme). Ultraschall kann diese Barrieren physikalisch aufbrechen und den Zugang des Auslaugungsmittels zur darunter liegenden Metallphase wiederherstellen.
4. Verbesserte Penetration in poröse Feststoffe
   Bei Konzentraten, Katalysatoren und Elektroschrottpartikeln hilft Ultraschall dabei, Flüssigkeit in Poren und Mikrorisse zu drücken und so den Zugang der Reagenzien zu eingebetteten Edelmetallen zu verbessern.

Partikelgrößenverteilungen nach Ultraschall- und konventioneller Laugung
Bild und Studie: © Canciani et al., 2024

Anwendungen: Von Erzen bis Urban Mining

Die Ultraschalllaugung wird sowohl bei Primär- als auch bei Sekundärrohstoffen zunehmend untersucht:

• Gold und Silber
  Power-Ultraschall beschleunigt nachweislich die Goldlaugung mit Zyanid und alternativen Laugenmitteln, indem er den Transport verbessert und Passivierungseffekte beseitigt. Er ist auch für die Silbergewinnung aus Erzen und industriellen Rückständen von Bedeutung.
• Platingruppenmetalle (PGMs)
  Rückgewinnung von Platin, Palladium und Rhodium – insbesondere aus verbrauchten Katalysatoren – häufig auf chloridbasierte oder saure Auslaugsysteme angewiesen. Ultraschall verbessert die Auflösungskinetik, indem er die Oberflächenreaktionen intensiviert und den Abbau komplexer Keramik-/Metallmatrizen verbessert.
• Elektronikschrott
  Gedruckte Leiterplatten und elektronische Bauteile enthalten wertvolle Edelmetalle, weisen aber aufgrund von Polymeren, Oxiden und Multimaterialstrukturen starke Diffusionsbarrieren auf. Die Ultraschallbehandlung verbessert die Gleichmäßigkeit der Auslaugung und kann die erforderliche Auslaugzeit verkürzen.

Wichtige Prozessvorteile

Aus verfahrenstechnischer Sicht bietet die Ultraschalllaugung mehrere messbare Vorteile:

• kürzere Auslaugzeiten durch beschleunigte Kinetik
• höhere Fördererträge aufgrund des verbesserten Zugangs zur Oberfläche
• geringerer Reagenzienverbrauch in vielen Systemen (weniger überschüssiges Lixiviant erforderlich)
• verbesserte Reproduzierbarkeit durch besseres Dispergieren und Mischen
• potenziell niedrigere Betriebstemperatur, da Ultraschall die langsamere thermische Kinetik ausgleicht

Prozessüberlegungen und Scale-Up

Eine erfolgreiche Ultraschalllaugung hängt stark von der Prozessgestaltung ab. Zu den kritischen Parametern gehören:

• Leistungsdichte und Amplitude des Ultraschalls
• Güllekonzentration und Partikelgrößenverteilung
• Reaktorgeometrie und Strömungsbedingungen
• Temperaturkontrolle
• Wahl der Auslaugungschemie (sauer, alkalisch, chloridhaltig, usw.)

Wichtig ist, dass für die Umsetzung im industriellen Maßstab Hochleistungs-Ultraschallreaktoren vom Typ Sonde erforderlich sind, da Badsonicatoren in der Regel nicht genügend Energie in dichte Auslaugungsschlämme einbringen. Inline-Ultraschall-Durchflusszellen können in kontinuierliche Laugungskreisläufe integriert werden und ermöglichen einen skalierbaren Betrieb. Hielscher Hochleistungssonicators sind für die Verarbeitung großer Mengen unter anspruchsvollen Bedingungen gebaut – Erhöhung der Ausbeute an ausgelaugten Metallen bei gleichzeitiger Reduzierung der Verarbeitungszeit und der Umweltbelastung.

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

Literatur / Literaturhinweise