Haruldaste muldmetallide ultrahelil põhinev leostamine tuhast
Ultrahelileostamine võib suurendada ekstraheerimissaaki ja lühendada töötlemisaega haruldaste muldmetallide eraldamisel tuhast. Parandades tuhaosakeste ja leostusainete vahelist kontakti, kiirendab võimas ultraheli lahustumist ja aitab muuta väärtuslikke elemente kergemini kättesaadavaks. Söetolmu uuringud näitavad selle potentsiaali: teadlased teatasid 97% yttriumi saagisest, samas kui eraldi uuring galliumi ja vanaadiumi kohta vähendas happe leostamise aega 180 minutilt 20 minutini.
Tuhk kui haruldaste muldmetallide sekundaarne ressurss
Tuhk on paljulubav teisene ressurss haruldaste muldmetallide (REE) saamiseks. Söe põletamisel tekkivad jäägid võivad sisaldada ütriumi ja muid haruldasi muldmetalle, mida kasutatakse elektroonikas, energiatehnoloogias ja kõrgtehnoloogilistes materjalides. Nende elementide taaskasutamine olemasolevatest tuhavooludest ja ladestustest võimaldaks mitmekesistada toorainevarustust ning muuta jäätmed kasulikuks tooraineks.
Eraldamisvõime sõltub nii elementide kontsentratsioonist kui ka kättesaadavusest. Tuhk võib sisaldada väärtuslikke elemente, kuid leostamise käigus vabaneb neist vaid piiratud osa, kui ümbritsev mineraalne maatriks piirab reaktiivide juurdepääsu. Seetõttu tuleb tuha koostist, eeltöötlust ja leostamise keemilisi protsesse vaadelda tervikuna. Mitme väärtusliku elemendi eraldamine samast lähteainest võib samuti parandada protsessi väljavaateid.
Ultraheli abil lagundatakse tuhaosakesed, muutes haruldased muldmetallid leostusreaktiivide jaoks kättesaadavaks. Parandades massiülekannet osakeste ja reaktiivi vahel, suurendab ultrahelitöötlus saagist ning lühendab samal ajal töötlemisaega!
Hielscheri ultraheliseadmete tööstuslik paigaldamine: 48 kW võimsusega ultraheliseadmete klaster haruldaste muldmetallide inline-leostamiseks kivisöetuhast
Kuidas ultraheli parandab tuha leostumist
Võimas ultraheli tõhustab tahke aine ja vedeliku ekstraheerimist akustilise kavitatsiooni kaudu. Vedelikus tekivad ja lagunevad mikroskoopilised mullid, tekitades kohalikke nihkejõude, mikrojette ja intensiivset segunemist. Need mõjud võivad hajutada osakeste aglomeeraate, puhastada paljastunud pindu ja parandada leostusainete transporti reaktiivsetesse kohtadesse. Lahustunud ained viiakse kiiremini ära, aidates kaasa lahustumise jätkumisele.
Tuha töötlemisel pakuvad need mõjud mitmeid praktilisi eeliseid:
- Kiirem leostumine: Tõhustatud massiülekande abil on võimalik lühendada kättesaadavate metallide ekstraheerimiseks kuluvat aega.
- Suurem saagis: Parem pinnakontakt võib aidata vabastada materjali, mis tavapärase segamise käigus jääb ebapiisavalt leostunuks.
- Kombinatsioon eeltöötlusega: Ultraheli võib kiirendada leostumisfaasi pärast seda, kui aktiveerimine on muutnud vastupidavad faasid kergemini ligipääsetavaks.
- Paindlik protsessi arendamine: Ultrahelitöötlust on võimalik kohandada vastavalt erinevale happe kontsentratsioonile, tahkete ainete sisaldusele, temperatuurile ja töötlemisajale.
Uuringute näited: kõrged saagid ja lühemad leostumisajad
Järgmised uuringud illustreerivad neid eeliseid konkreetsetes katsetingimustes. Yttrium on haruldane muldmetall; gallium ja vanaadium on samuti väärtuslikud metallid. Nende eraldamine annab täiendavaid tõendeid tuha ultrahelitöötluse kohta.
Ütrium ja vanaadium: ekstraheeritavus kuni 97% ja 100%
Masoum jt (2021) uurisid vanaadiumi ja ütriumi ekstraheerimist söe lendtuhast, kasutades selleks väävelhapet, vesinikperoksiidi ja ultraheli. Teadlased kasutasid vastuspinnameetodit, et optimeerida tahke aine ja vedeliku suhet ning väävelhappe ja vesinikperoksiidi osakaalu. Optimeeritud tingimustes ulatus vanadiumi ekstraheerimise määr 100%ni ja ütriumi oma 97%ni.
Muudetud kahaneva südamiku mudel näitas, et reaktsioonikiirust mõjutas massi difusioon. See järeldus rõhutab transpordiprotsesside tähtsust uuritud süsteemis ja toetab massiülekande arvessevõtmist protsessi optimeerimisel. Tulemused näitavad, et kombineeritud töötlemise abil on võimalik saavutada kõrge ütriumi ekstraheerimise määr, kuigi esitatud saagised kajastavad kogu reagendi ja ultrahelisüsteemi kasutamist.
FESEM-pildid tooresöetuhast: (a) enne söetuhka leostamist, (b) pärast ultrahelileostamist.
Uuring ja pildid: ©Masoum jt., 2021
Gallium ja vanaadium: 88,89% lühem leostumisaeg
Zhang jt (2026) uurisid ultrahelil põhinevat happe leostamist pärast naatriumkarbonaadiga aktiveeritud põletamist. Optimeeritud eeltöötlus koosnes 60-minutilisest põletamisest 850 °C juures, kasutades lendtuha ja Na₂CO₃ massisuhet 2:1. Sellele järgnenud ultrahelilise happe leostamisega saavutati 20 minuti jooksul galliumi ja vanaadiumi kõrge ekstraheerimismäär.
| Parameeter | Ultrahelileostamine pärast aktiveerimisröstimist | Tavapärane leostamine |
|---|---|---|
| Leostumisaeg | Kakskümmend minutit | 180 minutit |
| Galliumi leostumise efektiivsus | 98,14 % | 63,81 % |
| Vanaadiumi leostamise tõhusus | 92,32 % | 83,56 % |
Aja lühenemine 180 minutilt 20 minutini tähendab, et leostamisetapp on 88,89% lühem. Kineetiline analüüs näitas kiiruskonstantide suurenemist ning nii massiülekande kui ka pindadevaheliste reaktsiooniprotsesside tõhustumist. Need tulemused näitavad aktiveeriva röstimise ja ultraheli-leostamise kombineerimise potentsiaali. Aja kokkuhoid kehtib leostamise kohta; röstimine jääb eraldi töötlemisetapiks.
Ultraheli tõhustatud happe leostumine toimib kiirusega kaksteist korda kiiremini kui tavaline happe leostumine, tänu pinna lähedal lõhkevate kavitatsioonimullide kasulikule mehaanilisele toimele. See nähtus parandab happelahuse segamist, parandades seeläbi transpordiomadusi.
Pilt ja uuring: © Canciani et al., 2024
2 tööstuslikku ultraheli seadet UIP4000hdT suure koormusega töötlemiseks
Töötage välja ultrahelil põhinev leostamisprotsess, mis tagab haruldaste muldmetallide kõrge saagise
Haruldaste muldmetallide praktilisel kaevandamisel järgneb leostamisele lahustunud elementide eraldamine ja puhastamine. Seetõttu on kõrge leostamisefektiivsus pigem oluline vahetulemus kui valmis haruldaste muldmetallide toote saagis. Protsessi hindamisel tuleks arvesse võtta järgnevat taaskasutamist, reagentide kasutamist ning nii eeltöötlemiseks kui ka ultrahelitöötluseks vajalikku energiat.
Hielscher pakub tööstusliku tasemega lauaüleseid ultrahelikatseaparaate ja suure koormusega ultraheli-vooreaktoreid intensiivistatud leostamisprotsesside väljatöötamiseks ja rakendamiseks. Seadmete valiku ja katsetuste abil on võimalik kindlaks määrata konkreetse tuha jaoks sobiv amplituud, tahkete ainete sisaldus, viibeaeg ja temperatuuri reguleerimine.
Lihtne tootmise laiendamine suurtele kogustele: Kui optimaalse saagise saavutamiseks vajalikud parameetrid on kindlaks määratud, saab neid lineaarselt suurendada mis tahes tööstusliku leostusmahu jaoks.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid rakenduste segamiseks, hajutamiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, piloot- ja tööstuslikus mastaabis.
SEM-pildid osakestele tavapärase (a–c) ja ultraheli (d–f) leostumise erinevatel aegadel.
Pilt ja uuring: © Canciani et al., 2024
Korduma kippuvad küsimused
Kuidas aitab ultraheli parandada haruldaste muldmetallide leostumist tuhast?
Ultraheli tekitab leostuslõõri akustilist kavitatsiooni. Kokkuvarisevad mullid põhjustavad tugevat kohalikku segunemist, nihkejõude ja mikrojoad, mis parandavad tuhaosakeste ja leostuslahuse vahelist kontakti. Need mõjud paljastavad reaktiivsed pinnad ja kiirendavad massiülekannet, aidates suurendada ekstraheerimise saagikust ja lühendada leostusaega.
Milliseid haruldasi muldmetalle ja väärismetalle saab tuhast välja leotada?
Sõltuvalt päritolust ja mineraalsest koostisest saab tuhka leotada, et eraldada haruldasi muldmetalle, sealhulgas lantaan (La), tseerium (Ce), neodüüm (Nd), düsproosium (Dy), ütrium (Y) ja skandium (Sc). Söe lendtuhk on nende elementide potentsiaalne allikas.
Muude väärtuslike metallide hulka kuuluvad gallium (Ga) ja vanaadium (V) sobivas söetuhas ning vask (Cu) ja tsink (Zn) olmejäätmete põletustuhas.
Miks tuleks tuha leotamiseks kasutada suure võimsusega sond-ultraheli seadet?
Sondiga ultraheliseade suunab ultrahelienergia sonotroodi (ultrahelisond/varras) kaudu otse suspensiooni. See võimaldab tahke-vedelate segude intensiivset töötlemist ja pakub reguleeritavaid töötlemistingimusi. Hielscheri tööstuslikud ultraheliseadmed sobivad hästi integreerimiseks leostamissüsteemidesse, kus kontrollitud energiasisend ja usaldusväärne töö on hädavajalikud. Seadme konfiguratsioon peaks vastama suspensiooni koostisele, tahkete ainete sisaldusele ja nõutavale tootlikkusele.
Siin on mõned Hielscheri leostamisrakendused:
Kas Hielscheri ultraheliseadmeid saab kasutada pidevalt?
Jah. Hielscheri tööstuslikud ultraheliseadmed, nagu näiteks UIP500hdT (500 W) kuni UIP16000hdT (16 000 W), on mõeldud pidevaks tööks 24 tundi ööpäevas, 7 päeva nädalas. Neid saab seadistada partiipõhiseks töötlemiseks, ringluseks või pidevaks töötlemiseks ultrahelivoolukambri kaudu. Tuhaleotamiseks on süsteem integreeritud läga pumpamisega, temperatuuri reguleerimisega ja valitud leotamiskeemiaga.
Kas ultrahelileostamist on võimalik laiendada tööstuslikule tootmisele?
Jah, Hielscheri ultraheli-seadmed võimaldavad lineaarset tootmise laiendamist. Hielscher pakub seadmeid laborikatsetusteks, piloottootmiseks ja tööstuslikuks tootmiseks, sealhulgas 16 kW võimsusega protsessoreid, mida saab ühendada klastriteks. Mastaapimise protsess algab katsetustega, mille käigus määratakse kindlaks sobiv amplituud, energiatarbimine, temperatuur ja viibeaeg. Need tulemused moodustavad aluse reaktori võimsuse valimiseks ja ekstraheerimise tulemuslikkuse valideerimiseks nõutava tootlikkuse juures.
Kas ultraheli asendab hapete kasutamist või aktiveerivat röstitamist?
Ultraheli kiirendab leostamisprotsessi, samas kui keemilised reagendid tagavad sihtelementide lahustamiseks vajaliku keemilise reaktsiooni. Mõnede tuhkade puhul võib olla vaja ka eeltöötlust, et muuta vastupidavad mineraalfased kättesaadavaks.
Milliseid protsessiparameetreid on võimalik jälgida?
Kõik Hielscheri ultraheli seadmed alates 200 vattist toetavad amplituudi, võimsuse, töötlemisaja ja temperatuuri jälgimist ning automaatset salvestamist; rõhu mõõtmine on võimalik valikulise anduri abil. Need andmed aitavad katseid võrrelda ja töötingimusi usaldusväärselt taastada. Haruldaste muldmetallide ekstraheerimise efektiivsust tuleb määrata eraldi tooraine, leachate ja järelejäänud tahkete ainete keemilise analüüsi abil.
Kas ultrahelikuulutit saab kasutada happeliste ja abrasiivsete tuhapastadega?
Hielscher Ultrasonics pakub lahendusi happeliste ja abrasiivsete tuhasuspensioonide ultrahelitöötluseks. Sonotroodid, voolukambrid, tihendid ja muud vedelikuga kokkupuutuvad komponendid tuleb valida vastavalt happe koostisele, kontsentratsioonile, temperatuurile ja osakeste abrasiivsusele.
Kas suurem leostamise efektiivsus tähendab ka suuremat haruldaste muldmetallide lõplikku saagist?
Jah, suurem leostamisefektiivsus tähendab, et suurem osa sihtelemendist kandub üle vedelasse faasi. Kasutatava haruldaste muldmetallide toote valmistamiseks on vaja ka järgnevat eraldamist ja puhastamist. Üldine saagis sõltub kogu protsessi tulemuslikkusest.
Kuidas valida oma protsessile sobiv Hielscheri ultraheli seade?
Alustage representatiivsete tuha proovidega ning määrake kindlaks sihtelemendid, suspensiooni kontsentratsioon, leostamise keemiline koostis, partii maht või voolukiirus ning soovitud ekstraheerimissaagis. Meie, Hielscher, saame aidata teil valida seadmeid teostatavusuuringute ja sellele järgneva lineaarse mastaapimise jaoks. Meie tehnokeskus ja protsessilabor pakuvad ka 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 Lab kuni tööstuslik suurus.