Εκχύλιση πολύτιμων μετάλλων με υπερήχους

Οι υπέρηχοι ισχύος αποτελούν αποτελεσματική τεχνική για την εξαγωγή μετάλλων, όπως πολύτιμα μέταλλα και σπάνιες γαίες. Αυτή η διαδικασία εκχύλισης στερεού–υγρού με υποβοήθηση υπερήχων είναι γνωστή ως υπερηχητική εκχύλιση, έκπλυση ή πλύση. Ανθεκτικές βιομηχανικές συσκευές υπερήχων μπορούν να εγκατασταθούν εύκολα για την εκχύλιση σπάνιων γαιών από μεταλλεύματα, την επεξεργασία πολφών εξόρυξης για πληρέστερη ανάκτηση ή τον διαχωρισμό μετάλλων υψηλής αξίας (π.χ. Cu, Zn, Ni) από μέταλλα μικρότερης αξίας.

Η εκχύλιση με υπερήχους προάγει την αντίδραση μέσω της μεταφοράς μάζας και της διάλυσης, ώστε να επιτυγχάνονται υψηλότερες αποδόσεις σε μικρότερο χρόνο εκχύλισης.
Τα κύρια οφέλη της εκχύλισης με υπερήχους είναι:

• υψηλότερη απόδοση
• πληρέστερη εκχύλιση
• μειωμένη κατανάλωση αντιδραστηρίων
• ηπιότερες συνθήκες
• απλές δοκιμές εφικτότητας
• γραμμική κλιμάκωση
• εύκολη εγκατάσταση συστημάτων υπερήχων πλήρους εμπορικής κλίμακας
• πολύ ανθεκτικές συσκευές υπερήχων για ρεύματα μεγάλου όγκου

Εκχύλιση πολύτιμων μετάλλων με υπερήχους: Ταχύτερη εξαγωγή μέσω της χημείας της σπηλαίωσης

Η ανάκτηση πολύτιμων μετάλλων, όπως χρυσού, αργύρου, λευκόχρυσου, παλλαδίου και ροδίου, αποτελεί ακρογωνιαίο λίθο της σύγχρονης μεταλλουργίας και ανακύκλωσης – ιδιαίτερα στην επεξεργασία μεταλλευμάτων, συμπυκνωμάτων και δευτερογενών πόρων, όπως ηλεκτρονικά απορρίμματα και καταλυτικοί μετατροπείς. Παρότι η συμβατική εκχύλιση είναι καθιερωμένη, συχνά περιορίζεται από την αργή μεταφορά μάζας, την επιφανειακή παθητικοποίηση, την ατελή αποδέσμευση πολύτιμων φάσεων και την υψηλή κατανάλωση αντιδραστηρίων.
Η εκχύλιση με υπερήχους αντιμετωπίζει πολλούς από αυτούς τους περιορισμούς εισάγοντας υπερήχους υψηλής έντασης στον πολφό εκχύλισης και ενισχύοντας δραστικά την κινητική των αντιδράσεων μέσω ενός φαινομένου γνωστού ως ακουστική σπηλαίωση.

Ο βασικός μηχανισμός: Ακουστική σπηλαίωση

Όταν υπέρηχοι υψηλής ισχύος μεταδίδονται σε ένα υγρό, δημιουργούν μικροσκοπικές φυσαλίδες σπηλαίωσης που σχηματίζονται και καταρρέουν ταχύτατα. Αυτή η κατάρρευση δημιουργεί ακραίες τοπικές συνθήκες, όπως:

• έντονη μικροανάμειξη και δυνάμεις διάτμησης
• μικροπίδακες υψηλής ταχύτητας που κατευθύνονται προς στερεές επιφάνειες
• τοπικές θερμές εστίες (πολύ υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις για μικροδευτερόλεπτα)

Παρότι αυτά τα φαινόμενα εμφανίζονται σε μικροσκοπική κλίμακα, επηρεάζουν έντονα τη μακροσκοπική διαδικασία εκχύλισης, ανανεώνοντας συνεχώς την επιφάνεια αντίδρασης και επιταχύνοντας τη μεταφορά αντιδραστηρίων προς και από τα στερεά σωματίδια.

Η όξινη εκχύλιση με ενίσχυση υπερήχων πραγματοποιείται με ρυθμό δώδεκα φορές ταχύτερο από τη συμβατική όξινη εκχύλιση, λόγω της ευεργετικής μηχανικής δράσης των φυσαλίδων σπηλαίωσης που διαρρηγνύονται κοντά στην επιφάνεια. Το φαινόμενο αυτό βελτιώνει την ανάμειξη του όξινου διαλύματος, ενισχύοντας έτσι τις ιδιότητες μεταφοράς.
Εικόνα και μελέτη: © Canciani et al., 2024

Γιατί οι υπέρηχοι βελτιώνουν την εκχύλιση πολύτιμων μετάλλων

Στα περισσότερα συστήματα εκχύλισης, το στάδιο που καθορίζει τον ρυθμό δεν είναι η ίδια η χημική αντίδραση, αλλά η μεταφορά των αντιδρώντων μέσα από οριακά στρώματα, πόρους ή επιφανειακά υμένια παθητικοποίησης. Η σπηλαίωση που προκαλούν οι υπέρηχοι βελτιώνει την αποδοτικότητα της εκχύλισης μέσω διάφορων συνεργιστικών επιδράσεων:

1. Ενισχυμένη μεταφορά μάζας
   Οι υπέρηχοι μειώνουν το πάχος του στάσιμου στρώματος διάχυσης που περιβάλλει τα στερεά σωματίδια. Αυτό επιτρέπει στα εκχυλιστικά μέσα (π.χ. κυανιούχα, θειοθειικά, χλωριούχα, ιωδιούχα, θειουρία ή όξινα συστήματα) να φτάνουν ταχύτερα στην επιφάνεια που περιέχει μέταλλα, ενώ τα διαλυμένα μεταλλικά σύμπλοκα απομακρύνονται αποτελεσματικότερα.
2. Ενεργοποίηση της επιφάνειας των σωματιδίων
   Οι μικροπίδακες και τα κρουστικά κύματα της σπηλαίωσης διαβρώνουν, καθαρίζουν και τραχύνουν συνεχώς τις επιφάνειες των σωματιδίων. Έτσι εκτίθενται νέες ορυκτές φάσεις και αυξάνεται η ενεργή επιφάνεια αντίδρασης – κάτι ιδιαίτερα σημαντικό σε δυσκατέργαστα μεταλλεύματα ή επικαλυμμένα σωματίδια.
3. Διάρρηξη των στρωμάτων παθητικοποίησης
   Πολλά ορυκτά που περιέχουν πολύτιμα μέταλλα σχηματίζουν επιφανειακά στρώματα κατά την εκχύλιση (π.χ. οξείδια, θειικά άλατα, στοιχειακό θείο ή υμένια διοξειδίου του πυριτίου). Οι υπέρηχοι μπορούν να διαρρήξουν μηχανικά αυτούς τους φραγμούς, αποκαθιστώντας την πρόσβαση του εκχυλιστικού μέσου στην υποκείμενη μεταλλική φάση.
4. Βελτιωμένη διείσδυση σε πορώδη στερεά
   Στα συμπυκνώματα, τους καταλύτες και τα σωματίδια ηλεκτρονικών αποβλήτων, οι υπέρηχοι βοηθούν στην εξαναγκασμένη εισχώρηση του υγρού σε πόρους και μικρορωγμές, βελτιώνοντας την πρόσβαση των αντιδραστηρίων στα ενσωματωμένα πολύτιμα μέταλλα.

Κατανομές μεγέθους σωματιδίων μετά από εκχύλιση με υπερήχους και συμβατική εκχύλιση
Εικόνα και μελέτη: © Canciani et al., 2024

Εφαρμογές: Από τα μεταλλεύματα στην αστική εξόρυξη

Η εκχύλιση με υπερήχους διερευνάται ολοένα και περισσότερο τόσο σε πρωτογενείς όσο και σε δευτερογενείς πόρους:

• Χρυσός και άργυρος
  Έχει αποδειχθεί ότι οι υπέρηχοι ισχύος επιταχύνουν την εκχύλιση χρυσού σε κυανιούχα και εναλλακτικά εκχυλιστικά μέσα, βελτιώνοντας τη μεταφορά και εξαλείφοντας τις επιδράσεις της παθητικοποίησης. Είναι επίσης χρήσιμοι για την ανάκτηση αργύρου από μεταλλεύματα και βιομηχανικά υπολείμματα.
• Μέταλλα της ομάδας του λευκόχρυσου (PGMs)
  Η ανάκτηση λευκόχρυσου, παλλαδίου και ροδίου – ιδιαίτερα από χρησιμοποιημένους καταλυτικούς μετατροπείς – συχνά βασίζεται σε συστήματα εκχύλισης με χλωριούχα ή όξινα μέσα. Οι υπέρηχοι ενισχύουν την κινητική της διάλυσης, εντείνοντας τις επιφανειακές αντιδράσεις και βελτιώνοντας τη διάσπαση σύνθετων κεραμικών/μεταλλικών μητρών.
• Ηλεκτρονικά απορρίμματα
  Οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων και τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα περιέχουν πολύτιμα μέταλλα υψηλής αξίας, αλλά παρουσιάζουν ισχυρούς φραγμούς διάχυσης λόγω πολυμερών, οξειδίων και δομών από πολλαπλά υλικά. Η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει την ομοιομορφία της εκχύλισης και μπορεί να μειώσει τον απαιτούμενο χρόνο εκχύλισης.
• Σπάνιες γαίες από τέφρες άνθρακα
  Η τέφρα άνθρακα μπορεί να περιέχει μέταλλα υψηλής αξίας και σπάνιες γαίες, συχνά δεσμευμένα μέσα σε ορυκτές φάσεις ή σε μια υαλώδη αργιλοπυριτική μήτρα. Η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει την επαφή μεταξύ των σωματιδίων τέφρας και του διαλύματος εκχύλισης, κάτι που μπορεί να αυξήσει την αποδοτικότητα της εξαγωγής και να συντομεύσει τον χρόνο εκχύλισης.
  Διαβάστε περισσότερα για την εκχύλιση σπάνιων γαιών από τέφρες με υπερήχους!

Βασικά πλεονεκτήματα της διεργασίας

Από την άποψη της μηχανικής διεργασιών, η εκχύλιση με υπερήχους προσφέρει διάφορα μετρήσιμα οφέλη:

• μικρότεροι χρόνοι εκχύλισης μέσω επιταχυνόμενης κινητικής
• υψηλότερες αποδόσεις εξαγωγής λόγω βελτιωμένης πρόσβασης στην επιφάνεια
• χαμηλότερη κατανάλωση αντιδραστηρίων σε πολλά συστήματα (απαιτείται μικρότερη περίσσεια εκχυλιστικού μέσου)
• βελτιωμένη αναπαραγωγιμότητα μέσω καλύτερης διασποράς και ανάμειξης
• δυνητικά χαμηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας, επειδή οι υπέρηχοι αντισταθμίζουν τη βραδύτερη θερμική κινητική

Παράμετροι της διεργασίας και κλιμάκωση

Η επιτυχής εκχύλιση με υπερήχους εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον σχεδιασμό της διεργασίας. Στις κρίσιμες παραμέτρους περιλαμβάνονται:

• πυκνότητα ισχύος και πλάτος των υπερήχων
• συγκέντρωση του πολφού και κατανομή μεγέθους σωματιδίων
• γεωμετρία του αντιδραστήρα και συνθήκες ροής
• έλεγχος της θερμοκρασίας
• επιλογή του χημικού συστήματος εκχύλισης (όξινο, αλκαλικό, χλωριούχο κ.λπ.)

Είναι σημαντικό ότι η εφαρμογή σε βιομηχανική κλίμακα απαιτεί αντιδραστήρες υπερήχων υψηλής ισχύος με καθετήρα, καθώς τα λουτρά υπερήχων συνήθως δεν μεταδίδουν επαρκή ενέργεια σε πυκνούς πολφούς εκχύλισης. Οι κυψελίδες ροής υπερήχων μπορούν να ενσωματωθούν εν σειρά σε συνεχή κυκλώματα εκχύλισης, επιτρέποντας τη λειτουργία με δυνατότητα κλιμάκωσης. Οι συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων της Hielscher κατασκευάζονται για την επεξεργασία μεγάλων όγκων υπό απαιτητικές συνθήκες – αυξάνοντας τις αποδόσεις των εκχυλιζόμενων μετάλλων και παράλληλα μειώνοντας τον χρόνο επεξεργασίας και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις.

Σχεδιασμός, κατασκευή και συμβουλευτική – Ποιότητα κατασκευής από τη Γερμανία

Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι γνωστές για τα ύψιστα πρότυπα ποιότητας και σχεδιασμού τους. Η ανθεκτικότητα και η ευκολία χειρισμού επιτρέπουν την ομαλή ενσωμάτωση των συσκευών υπερήχων μας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher ανταποκρίνονται εύκολα σε αντίξοες συνθήκες και απαιτητικά περιβάλλοντα.

Η Hielscher Ultrasonics είναι εταιρεία πιστοποιημένη κατά ISO και δίνει ιδιαίτερη έμφαση σε συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων που διαθέτουν τεχνολογία αιχμής και ευκολία χρήσης. Φυσικά, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher συμμορφώνονται με τις απαιτήσεις CE και πληρούν τις απαιτήσεις των UL, CSA και RoHs.

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• 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.