Haruldaste muldmetallide ultraheli leostamine tuhast
Ultraheli leostamine võib suurendada ekstraktsioonisaagist ja lühendada töötlusaega haruldaste muldmetallide taaskasutamisel tuhast. Parandades tuhaosakeste ja leostusainete vahelist kontakti, kiirendab võimsusultraheli lahustumist ja aitab muuta väärtuslikud elemendid paremini kättesaadavaks. Kivisöe lendtuha uuringud näitavad selle potentsiaali: teadlased teatasid ütriumi 97% ekstraktsioonist, samas kui eraldi uuring galliumi ja vanaadiumi kohta lühendas happelise leostuse aega 180 minutilt 20 minutile.
Tuhk kui haruldaste muldmetallide teisene ressurss
Tuhk on paljutõotav teisene ressurss haruldaste muldmetallide (REE) jaoks. Kivisöe põletamise jäägid võivad sisaldada ütriumi ja teisi haruldasi muldmetalle, mida kasutatakse elektroonikas, energiatehnoloogiates ja arenenud materjalides. Nende elementide taaskasutamine olemasolevatest tuhavoogudest ja ladestutest võiks mitmekesistada toorainevarusid ning muuta jäätmematerjali kasulikuks toorainoks.
Ekstraktsioonipotentsiaal sõltub nii elemendi kontsentratsioonist kui ka kättesaadavusest. Tuhk võib sisaldada väärtuslikke elemente, kuid vabastada leostamisel ainult piiratud osa, kui ümbritsev mineraalne maatriks piirab reagendi juurdepääsu. Seetõttu tuleb tuha koostist, eeltöötlust ja leostuskeemiat käsitleda koos. Mitme väärtusliku elemendi taaskasutamine samast toorainest võib samuti parandada protsessi väljavaateid.
Ultraheli leostamine killustab tuhaosakesi, muutes haruldased muldmetallid leostusreagentidele kättesaadavaks. Parandades massiülekannet osakeste ja reagendi vahel, suurendab ultraheli töötlus (sonikeerimine) saaki ning lühendab samal ajal töötlusaega!
Hielscheri sonikaatorite tööstuslik paigaldus: 48 kW sonikaatorite klaster haruldaste muldmetallide põimitud leostamiseks kivisöetuhast
Kuidas ultraheli parandab tuha leostamist
Võimsusultraheli intensiivistab tahke–vedela ekstraktsiooni akustilise kavitatsiooni kaudu. Vedelikus tekivad ja kollapseeruvad mikroskoopilised mullid, mis tekitavad kohalikke nihkejõude, mikrojuge ja intensiivset segunemist. Need mõjud võivad hajutada osakeste aglomeraate, puhastada paljastatud pindu ning parandada leostusainete transporti reaktsioonikohtadesse. Lahustunud ained transporditakse kiiremini ära, aidates säilitada lahustumist.
Tuha töötlemisel pakuvad need mõjud mitmeid praktilisi eeliseid:
- Kiirem leostamine: Tõhustatud massiülekanne võib lühendada kättesaadavate metallide ekstraheerimiseks vajalikku aega.
- Suuremad ekstraktsioonisaagised: Parem pinnakontakt võib aidata vabastada materjali, mis jääb tavapärasel segamisel ebapiisavalt leostatuks.
- Kombineerimine eeltöötlusega: Ultraheli võib leostusetappi intensiivistada pärast seda, kui aktiveerimine on muutnud vastupidavad faasid paremini kättesaadavaks.
- Paindlik protsessiarendus: Ultraheli töötlust (sonikeerimist) saab arendada ja kohandada vastavalt erinevale happe kontsentratsioonile, tahke aine sisaldusele, temperatuurile ja töötlusajale.
Uurimisnäited: suured saagised ja lühemad leostusajad
Järgmised uuringud illustreerivad neid eeliseid konkreetsetel katsetingimustel. Ütrium on haruldane muldmetall; gallium ja vanaadium on muud väärtuslikud metallid. Nende ekstraktsioon annab täiendavat tõendusmaterjali tuha ultraheli töötluse kohta.
Ütrium ja vanaadium: kuni 97% ja 100% ekstraktsioon
Masoum et al. (2021) uuris vanaadiumi ja ütriumi ekstraheerimist kivisöe lendtuhast, kasutades väävelhapet, vesinikperoksiidi ja ultraheli. Teadlased rakendasid vastuspinna meetodit tahke ja vedela faasi suhte ning väävelhappe ja vesinikperoksiidi osakaalude optimeerimiseks. Optimeeritud tingimustel ulatus teadaolevalt ekstraktsioon vanaadiumi puhul 100%-ni ja ütriumi puhul 97%-ni.
Modifitseeritud kahaneva tuuma mudel näitas, et reaktsioonikiirust kontrollis massidifusioon. See tulemus rõhutab transpordiprotsesside tähtsust uuritud süsteemis ja toetab massiülekande sihipärast arvestamist protsessi optimeerimisel. Tulemused näitavad, et kombineeritud töötlusega on võimalik saavutada ütriumi kõrge ekstraktsioon, kuigi esitatud saagised kajastavad kogu reagentide ja ultraheli süsteemi.
Töötlemata kivisöetuha FESEM-kujutised: (a) vasakul tuha leostamise eel, (b) pärast ultraheliga leostamist.
Uuring ja kujutised: ©Masoum et al., 2021
Gallium ja vanaadium: 88,89% lühem leostusaeg
Zhang et al. (2026) uuris ultraheliga happelist leostamist pärast naatriumkarbonaadiga aktiveerivat röstimist. Optimeeritud eeltöötlus seisnes röstimises temperatuuril 850°C 60 minuti jooksul, kasutades lendtuha ja Na₂CO₃ massisuhet 2:1. Järgnev ultraheliga happeline leostamine andis kõrge galliumi ja vanaadiumi ekstraktsiooni 20 minuti jooksul.
| Parameeter | Ultraheliga leostamine pärast aktiveerivat röstimist | Tavapärane leostamine |
|---|---|---|
| Leostusaeg | 20 min | 180 min |
| Galliumi leostumisefektiivsus | 98,14% | 63,81% |
| Vanaadiumi leostumisefektiivsus | 92,32% | 83,56% |
Vähenemine 180 minutilt 20 minutile vastab 88,89% lühemale leostusetapile. Kineetiline analüüs näitas suurenenud kiiruskonstante ning nii massiülekande kui ka faasidevahelise reaktsiooni protsesside tõhustumist. Need tulemused näitavad aktiveeriva röstimise ja ultraheliga leostamise kombineerimise potentsiaali. Ajasääst kehtib leostamise kohta; röstimine jääb täiendavaks töötlusetapiks.
Ultraheliga tõhustatud happeline leostamine toimub kaksteist korda kiiremini kui tavapärane happeline leostamine, kuna pinna lähedal lõhkevate kavitatsioonimullide mehaaniline toime on kasulik. See nähtus parandab happelahuse segunemist ja tõhustab seeläbi transpordiomadusi.
Kujutis ja uuring: © Canciani et al., 2024
2 tööstuslikku sonikaatorit UIP4000hdT raskeks töötlemiseks
Töötage välja oma ultraheliga leostamise protsess haruldaste muldmetallide kõrgeks taaskasutuseks
Haruldaste muldmetallide praktiliseks ekstraheerimiseks järgneb leostamisele lahustunud elementide eraldamine ja puhastamine. Kõrge leostusefektiivsus on seega oluline vahetulemus, mitte valmis haruldaste muldmetallide toote saagis. Protsessi hindamisel tuleks arvestada järgnevat taaskasutust, reagentide kasutust ning nii eeltöötluseks kui ka ultraheli töötluseks vajalikku energiat.
Hielscher pakub tööstuslikku kvaliteeti laboriseadme-mõõtmetes sonikaatoreid ja raskeks tööks mõeldud ultraheli läbivoolureaktoreid tõhustatud leostusprotsesside väljatöötamiseks ja rakendamiseks. Seadmete valik ja katsetused võimaldavad kindlaks määrata konkreetse tuha jaoks sobiva amplituudi, tahke aine sisalduse, viibeaja ja temperatuuri reguleerimise.
Lihtne mastaapimine suurtele mahtudele: Kui optimaalse taaskasutuse parameetrid on kord kindlaks määratud, saab neid seejärel lineaarselt skaleerida mis tahes kommertsliku leostusmahuni.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamiseks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, pilootmastaabis ja tööstuslikus mastaabis.
Osakeste SEM-kujutised erinevatel ajahetkedel tavapärase (a–c) ja ultraheliga (d–f) leostamise puhul.
Kujutis ja uuring: © Canciani et al., 2024
Korduma kippuvad küsimused
Kuidas ultraheli parandab haruldaste muldmetallide leostamist tuhast?
Ultraheli tekitab leostussuspensioonis akustilist kavitatsiooni. Kollapseeruvad mullid põhjustavad intensiivset kohalikku segunemist, nihkejõude ja mikrojuge, mis parandavad kontakti tuhaosakeste ja leostuslahuse vahel. Need mõjud avavad reaktiivseid pindu ja kiirendavad massiülekannet, aidates suurendada ekstraktsioonisaagist ja lühendada leostusaegu.
Milliseid haruldasi muldmetalle ja väärtuslikke metalle on võimalik tuhast leostada?
Olenevalt päritolust ja mineraalsest koostisest saab tuhkadest leostada haruldasi muldmetalle, sealhulgas lantaani (La), tseeriumi (Ce), neodüümi (Nd), düsproosiumi (Dy), ütriumi (Y) ja skandiumi (Sc). Kivisöe lendtuhk on nende elementide potentsiaalne allikas.
Muude väärtuslike metallide hulka kuuluvad gallium (Ga) ja vanaadium (V) sobivates kivisöetuhkades ning vask (Cu) ja tsink (Zn) olmejäätmete põletustuhkades.
Miks kasutada tuhast leostamiseks suure võimsusega sondsonikaatorit?
Sondsonikaator juhib ultraheli energia sonotroodi (ultraheli sondi/varda) kaudu otse suspensiooni. See võimaldab intensiivselt töödelda tahke aine ja vedeliku segusid ning pakub reguleeritavaid töötlustingimusi. Hielscheri tööstuslik ultraheli töötlusseadmestik toetab integreerimist leostusahelatesse, kus on olulised kontrollitud energiasisend ja töökindlus. Konfiguratsioon peaks vastama suspensiooni koostisele, tahkete osakeste sisaldusele ja nõutavale läbilaskevõimele.
Siin on mõned Hielscheri leostusrakendused:
Kas Hielscheri sonikaatorid saavad töötada pidevalt?
Jah. Hielscheri tööstuslikud sonikaatorid alates mudelist UIP500hdT (500W) kuni mudelini UIP16000hdT (16 000W) on mõeldud pidevaks 24/7 tööks. Neid saab konfigureerida partiitöötluseks, retsirkulatsiooniks või pidevaks töötluseks ultraheli läbivoolukambri kaudu. Tuhaleostuse puhul integreeritakse seadmestik suspensiooni pumpamisse, temperatuuri reguleerimisse ja valitud leostuskeemiasse.
Kas ultraheli leostust saab skaleerida tööstuslikuks tootmiseks?
Jah, Hielscheri sonikaatorid võimaldavad lineaarset skaleerimist. Hielscher pakub seadmeid laborikatseteks, pilootmastaabis töötluseks ja tööstuslikuks tootmiseks, sealhulgas 16 kW protsessoreid, mida saab kombineerida klastriteks. Skaleerimine algab katsetega, mille eesmärk on määrata sobiv amplituud, energiasisend, temperatuur ja viibeaeg. Need tulemused annavad aluse reaktori mahtuvuse valimiseks ja ekstraheerimise tulemuslikkuse valideerimiseks nõutaval läbilaskevõimel.
Kas ultraheli asendab happeid või aktiveerivat röstimist?
Ultraheli intensiivistab leostusprotsessi, samal ajal kui keemilised reagendid tagavad sihtelementide lahustamiseks vajaliku keemia. Mõned tuhad võivad nõuda ka eeltöötlust, et muuta vastupidavad mineraalfaasid kättesaadavaks.
Milliseid protsessiparameetreid saab jälgida?
Kõik Hielscheri sonikaatorid alates 200 vatist toetavad amplituudi, võimsuse, töötlusaja ja temperatuuri jälgimist ning automaatset salvestamist; rõhumõõtmine on saadaval valikulise anduri kaudu. Need andmed aitavad katseid võrrelda ja töötingimusi usaldusväärselt reprodutseerida. Haruldaste muldmetallide ekstraheerimise efektiivsus tuleb määrata eraldi sööda, leostuslahuse ja allesjäänud tahkete osakeste keemilise analüüsi abil.
Kas ultraheliseadmeid saab kasutada happeliste, abrasiivsete tuhasuspensioonidega?
Hielscher Ultrasonics pakub lahendusi happeliste, abrasiivsete tuhasuspensioonide ultraheli töötluseks. Sonotroodid, läbivoolukambrid, tihendid ja muud märgumisega kokkupuutuvad komponendid tuleb valida happe koostise, kontsentratsiooni, temperatuuri ja osakeste abrasiivsuse järgi.
Kas kõrgem leostusefektiivsus tähendab suuremat haruldaste muldmetallide lõplikku saagist?
Jah, kõrgem leostusefektiivsus tähendab, et suurem osa sihtelemendist kandub vedelfaasi. Kasutatava haruldaste muldmetallide toote saamiseks on vaja ka järgnevat eraldamist ja puhastamist. Üldine saagis sõltub kogu protsessi tulemuslikkusest.
Kuidas valida oma protsessi jaoks sobiv Hielscheri sonikaator?
Alustage representatiivsete tuhaproovidega ning määratlege sihtelemendid, suspensiooni kontsentratsioon, leostuskeemia, partii maht või vooluhulk ja soovitud ekstraheerimissaagis. Meie ettevõttes Hielscher saame aidata teil valida seadmeid teostatavuskatseteks ja sellele järgnevaks lineaarseks skaleerimiseks. Meie tehnoloogiakeskus ja protsessilabor pakuvad samuti katseid, mis toetavad seadmete valikut.
Kirjandus / viited
- 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 toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laborimastaabist kuni tööstusliku mastaabini.