Väärismetallide ultraheli leostamine

Võimas ultraheli on tõhus meetod metallide, näiteks väärismetallide ja haruldaste muldmetallide ekstraheerimiseks. Seda ultraheli toel toimuvat tahke–vedela ekstraheerimise protsessi nimetatakse sono-leostamiseks, lixiviatsiooniks või pesemiseks. Töökindlaid tööstuslikke ultraheli seadmeid (sonikaatoreid) saab hõlpsasti paigaldada haruldaste muldmetallide leostamiseks maakidest, kaevandusmudade töötlemiseks täielikuma taaskasutuse saavutamiseks või kõrge väärtusega metallide (nt Cu, Zn, Ni) eraldamiseks vähemväärtuslikest metallidest.

Ultraheli leostamine soodustab reaktsiooni massiülekande ja lahustumise kaudu, nii et lühema ekstraheerimisaja jooksul saavutatakse suuremad saagised.
Ultraheli leostamise peamised eelised on:

• suurem saagis
• täielikum leostamine
• väiksem reagentide tarbimine
• leebemad tingimused
• lihtne teostatavuse testimine
• lineaarne skaleerimine
• täismahuliste kommertsultraheli süsteemide lihtne paigaldamine
• väga töökindlad ultraheli seadmed (sonikaatorid) suurte vooluhulkade töötlemiseks

Väärismetallide ultraheli leostamine: kiirem ekstraheerimine kavitatsioonikeemia abil

Väärismetallide, näiteks kulla, hõbeda, plaatina, pallaadiumi ja roodiumi taaskasutus on kaasaegse metallurgia ja ringlussevõtu nurgakivi – eriti maakide, kontsentraatide ja teisese toorme, näiteks elektroonikaromu ja katalüsaatorite töötlemisel. Ehkki tavapärane leostamine on hästi väljakujunenud, piiravad seda sageli aeglane massiülekanne, pinna passiveerumine, väärtuslike faaside mittetäielik vabastamine ja suur reagentide tarbimine.
Ultraheli leostamine lahendab paljud neist kitsaskohtadest, viies leostusmudasse suure intensiivsusega ultraheli ja kiirendades seeläbi dramaatiliselt reaktsioonikineetikat nähtuse abil, mida tuntakse akustilise kavitatsioonina.

Põhimehhanism: akustiline kavitatsioon

Kui suure võimsusega ultraheli juhitakse vedelikku, tekivad mikroskoopilised kavitatsioonimullid, mis kiiresti moodustuvad ja kollapseeruvad. See kollaps tekitab äärmuslikke lokaalseid tingimusi, sealhulgas:

• intensiivne mikrosegunemine ja nihkejõud
• suure kiirusega mikrojoad, mis on suunatud tahketele pindadele
• lokaalsed kuumad kohad (väga kõrged temperatuurid ja rõhud mikrosekundite jooksul)

Ehkki need mõjud toimuvad mikroskoopilises mastaabis, mõjutavad need tugevalt makroskoopilist leostamisprotsessi, uuendades pidevalt reaktiivset pinda ning kiirendades reagentide transporti tahkete osakesteni ja nendest eemale.

Ultraheli abil tõhustatud happeline leostamine toimub kaksteist korda kiiremini kui tavapärane happeline leostamine, mis tuleneb pinna lähedal lõhkevate kavitatsioonimullide kasulikust mehaanilisest toimest. See nähtus parandab happelahuse segunemist ja tõhustab seeläbi transpordiomadusi.
Pilt ja uuring: © Canciani et al., 2024

Miks ultraheli parandab väärismetallide leostamist

Enamikus leostussüsteemides ei ole kiirust piiravaks etapiks mitte keemiline reaktsioon ise, vaid reagentide transport läbi piirkihtide, pooride või passiveerivate pinnakilede. Ultraheli kavitatsioon parandab leostamise tõhusust mitme sünergilise mõju kaudu:

1. Tõhustatud massiülekanne
   Ultraheli vähendab tahkeid osakesi ümbritseva stagnantse difusioonikihi paksust. See võimaldab lixiviantidel (nt tsüaniid, tiosulfaat, kloriid, jodiid, tiouurea või happelised süsteemid) jõuda metalli sisaldava pinnani kiiremini, samas kui lahustunud metallikomplekse eemaldatakse tõhusamalt.
2. Osakeste pinna aktiveerimine
   Kavitatsiooni mikrojoad ja lööklained erodeerivad, puhastavad ja karestavad pidevalt osakeste pindu. See paljastab värskeid mineraalfaase ja suurendab efektiivset reaktiivset pinda – see on eriti oluline raskesti töödeldavate maakide või kattega osakeste puhul.
3. Passiveerivate kihtide hävitamine
   Paljud väärismetalle sisaldavad mineraalid moodustavad leostamise ajal pinnakihte (nt oksiidid, sulfaadid, elementaarväävel või ränidioksiidikiled). Ultraheli võib neid tõkkeid füüsiliselt hävitada, taastades leostusaine juurdepääsu aluseks olevale metallifaasile.
4. Parem tungimine poorsetesse tahketesse ainetesse
   Kontsentraatide, katalüsaatorite ja e-jäätmete osakeste puhul aitab ultraheli suruda vedelikku pooridesse ja mikropragudesse, parandades reagentide juurdepääsu sissepoole jäävatele väärismetallidele.

Osakeste suuruse jaotused pärast ultraheli ja tavapärast leostamist
Pilt ja uuring: © Canciani et al., 2024

Rakendused: maakidest linnakaevandamiseni

Ultraheli leostamist uuritakse üha enam nii primaarsete kui ka sekundaarsete ressursside puhul:

• Kuld ja hõbe
  Võimsa ultraheli kohta on näidatud, et see kiirendab kulla leostamist tsüaniidis ja alternatiivsetes lixiviantides, parandades transporti ja kõrvaldades passiveerumismõjusid. See on oluline ka hõbeda taaskasutuseks maakidest ja tööstuslikest jääkidest.
• Plaatinarühma metallid (PGM-id)
  Plaatina, pallaadiumi ja roodiumi taaskasutus – eriti kasutatud katalüsaatoritest – tugineb sageli kloriidipõhistele või happelistele leostussüsteemidele. Ultraheli tõhustab lahustumiskineetikat, intensiivistades pinnareaktsioone ja parandades keeruliste keraamiliste/metallimaatriksite lagunemist.
• Elektroonikaromu
  Trükkplaadid ja elektroonikakomponendid sisaldavad väärtuslikke väärismetalle, kuid polümeeride, oksiidide ja mitmest materjalist struktuuride tõttu moodustavad tugevaid difusioonitõkkeid. Ultraheli töötlus parandab leostamise ühtlust ja võib vähendada vajalikku leostamisaega.
• Haruldased muldmetallid kivisöetuhast
  Kivisöetuhk võib sisaldada väärtuslikke metalle ja haruldasi muldmetalle, mis on sageli seotud mineraalfaasidesse või klaasjasse alumosilikaatmaatriksisse. Ultraheli töötlus parandab tuhaosakeste ja leostuslahuse kontakti, mis võib tõhustada ekstraheerimist ja lühendada leostamisaega.
  Lugege lähemalt haruldaste muldmetallide ultraheli leostamise kohta tuhast!

Peamised protsessieelised

Protsessitehnika vaatenurgast pakub ultraheli leostamine mitmeid mõõdetavaid eeliseid:

• lühemad leostamisajad tänu kiirendatud kineetikale
• suuremad ekstraheerimissaagised tänu paremale juurdepääsule pinnale
• väiksem reagentide tarbimine paljudes süsteemides (vaja on vähem lixiviandi ülehulka)
• parem reprodutseeritavus tänu paremale dispergeerimisele ja segunemisele
• potentsiaalselt madalam töötemperatuur, sest ultraheli kompenseerib aeglasema termilise kineetika

Protsessi kaalutlused ja skaleerimine

Edukas ultraheli leostamine sõltub tugevalt protsessi kavandamisest. Kriitilised parameetrid on muu hulgas:

• ultraheli võimsustihedus ja amplituud
• mudakontsentratsioon ja osakeste suuruse jaotus
• reaktori geomeetria ja voolutingimused
• temperatuuri reguleerimine
• leostuskeemia valik (happeline, aluseline, kloriidne jne)

Oluline on, et tööstusliku mastaabi rakendamine nõuab sondtüüpi suure võimsusega ultraheli reaktoreid, kuna vannsonikaatorid ei anna tavaliselt tihedatesse leostusmudadesse piisavalt energiat. Inline-ultraheli läbivoolukambreid saab integreerida pidevatesse leostusahelatesse, võimaldades skaleeritavat tööd. Hielscheri suure jõudlusega sonikaatorid on ehitatud suurte mahtude töötlemiseks nõudlikes tingimustes – need suurendavad leostatud metallide saagist, vähendades samal ajal töötlemisaega ja keskkonnamõju.

Disain, tootmine ja nõustamine – kvaliteet, mis on valmistatud Saksamaal

Hielscheri ultraheli seadmed (sonikaatorid) on tuntud oma kõrgeima kvaliteedi ja disainistandardite poolest. Töökindlus ja lihtne kasutamine võimaldavad meie seadmete sujuvat integreerimist tööstusrajatistesse. Karmid tingimused ja nõudlikud keskkonnad ei valmista Hielscheri ultraheli seadmetele raskusi.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifitseeritud ettevõte ning pöörab erilist tähelepanu suure jõudlusega ultraheli seadmetele, mis põhinevad tipptehnoloogial ja on kasutajasõbralikud. Loomulikult vastavad Hielscheri ultraheli seadmed CE nõuetele ning täidavad UL-i, CSA ja RoHs-i nõudeid.

Kirjandus / viited

• 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.