لیچینگ فراصوتی فلزات گران‌بها

فراصوت پرتوان روشی مؤثر برای استخراج فلزاتی مانند فلزات گران‌بها و عناصر خاکی کمیاب است. این فرایند استخراج جامد–مایع به کمک فراصوت، با نام‌های سونولیچینگ، لیچینگ یا شست‌وشو شناخته می‌شود. سونیکاتورهای صنعتی مستحکم را می‌توان به‌آسانی برای لیچینگ عناصر خاکی کمیاب از سنگ‌های معدنی، تیمار دوغاب‌های معدنی به‌منظور بازیابی کامل‌تر، یا جداسازی فلزات باارزش (مانند Cu، Zn، Ni) از فلزات کم‌ارزش‌تر نصب کرد.

لیچینگ فراصوتی با تقویت انتقال جرم و انحلال، واکنش را تسهیل می‌کند تا بازده بالاتری در زمان استخراج کوتاه‌تر حاصل شود.
مزایای اصلی لیچینگ فراصوتی عبارت‌اند از:

• بازده بالاتر
• لیچینگ کامل‌تر
• کاهش مصرف واکنشگر
• شرایط ملایم‌تر
• آزمون امکان‌سنجی ساده
• افزایش مقیاس خطی
• نصب آسان سامانه‌های فراصوت در مقیاس کامل تجاری
• سونیکاتورهای بسیار مستحکم برای جریان‌های با حجم بالا

لیچینگ فراصوتی فلزات گران‌بها: استخراج سریع‌تر از طریق شیمی کاویتاسیون

بازیابی فلزات گران‌بها مانند طلا، نقره، پلاتین، پالادیم و رودیم از ارکان متالورژی و بازیافت مدرن است – به‌ویژه در فراوری سنگ‌های معدنی، کنسانتره‌ها و منابع ثانویه مانند قراضه‌های الکترونیکی و مبدل‌های کاتالیستی. اگرچه لیچینگ متداول روشی جاافتاده است، اغلب با محدودیت‌هایی مانند انتقال جرم کند، غیرفعال‌شدن سطح، آزادسازی ناقص فازهای ارزشمند و مصرف بالای واکنشگر روبه‌رو است.
لیچینگ فراصوتی با واردکردن فراصوت با شدت بالا به دوغاب لیچینگ، بسیاری از این گلوگاه‌ها را برطرف می‌کند و از طریق پدیده‌ای موسوم به کاویتاسیون آکوستیکی، سینتیک واکنش را به‌شدت تسریع می‌کند.

سازوکار اصلی: کاویتاسیون آکوستیکی

هنگامی که فراصوت پرتوان به مایع منتقل می‌شود، حباب‌های میکروسکوپی کاویتاسیون ایجاد می‌کند که به‌سرعت تشکیل می‌شوند و فرومی‌پاشند. این فروپاشی شرایط موضعی بسیار شدیدی ایجاد می‌کند، از جمله:

• ریز‌اختلاط شدید و نیروهای برشی
• میکروجت‌های پرسرعت به‌سمت سطوح جامد
• نقاط داغ موضعی (دماها و فشارهای بسیار بالا به‌مدت میکروثانیه)

اگرچه این اثرات در مقیاس میکروسکوپی رخ می‌دهند، با نوسازی پیوسته سطح واکنش‌پذیر و تسریع انتقال واکنشگرها به ذرات جامد و از آن‌ها، تأثیر چشمگیری بر فرایند لیچینگ در مقیاس ماکروسکوپی می‌گذارند.

لیچینگ اسیدی تقویت‌شده با فراصوت، به‌دلیل اثر مکانیکی سودمند ترکیدن حباب‌های کاویتاسیون در نزدیکی سطح، با سرعتی دوازده برابر لیچینگ اسیدی متداول انجام می‌شود. این پدیده اختلاط محلول اسیدی را بهبود می‌دهد و در نتیجه ویژگی‌های انتقال را تقویت می‌کند.
تصویر و پژوهش: © Canciani et al., 2024

چرا فراصوت لیچینگ فلزات گران‌بها را بهبود می‌دهد

در بیشتر سامانه‌های لیچینگ، مرحله محدودکننده سرعت، خود واکنش شیمیایی نیست، بلکه انتقال واکنش‌دهنده‌ها از میان لایه‌های مرزی، منافذ یا فیلم‌های سطحی غیرفعال‌کننده است. کاویتاسیون فراصوتی از طریق چندین اثر هم‌افزا، کارایی لیچینگ را بهبود می‌دهد:

1. تقویت انتقال جرم
   فراصوت ضخامت لایه نفوذ ساکن پیرامون ذرات جامد را کاهش می‌دهد. این امر به عوامل لیچینگ (مانند سیانید، تیوسولفات، کلرید، یدید، تیواوره یا سامانه‌های اسیدی) اجازه می‌دهد سریع‌تر به سطح حاوی فلز برسند، درحالی‌که کمپلکس‌های فلزی حل‌شده با کارایی بیشتری از سطح دور می‌شوند.
2. فعال‌سازی سطح ذرات
   میکروجت‌ها و امواج ضربه‌ای کاویتاسیون به‌طور پیوسته سطوح ذرات را فرسایش می‌دهند، پاک می‌کنند و زبر می‌سازند. این فرایند فازهای معدنی تازه را در معرض واکنش قرار می‌دهد و مساحت مؤثر واکنش‌پذیر را افزایش می‌دهد – امری که به‌ویژه در سنگ‌های معدنی دیرگداز یا ذرات پوشش‌دار اهمیت دارد.
3. تخریب لایه‌های غیرفعال‌کننده
   بسیاری از کانی‌های حاوی فلزات گران‌بها در طول لیچینگ لایه‌های سطحی تشکیل می‌دهند (مانند اکسیدها، سولفات‌ها، گوگرد عنصری یا فیلم‌های سیلیکا). فراصوت می‌تواند این موانع را به‌صورت فیزیکی تخریب کند و دسترسی عامل لیچینگ به فاز فلزی زیرین را دوباره برقرار سازد.
4. بهبود نفوذ به جامدات متخلخل
   در مورد کنسانتره‌ها، کاتالیست‌ها و ذرات پسماندهای الکترونیکی، فراصوت به راندن مایع به درون منافذ و ریزترک‌ها کمک می‌کند و دسترسی واکنشگر به فلزات گران‌بهای محبوس را بهبود می‌دهد.

توزیع اندازه ذرات پس از لیچینگ فراصوتی و متداول
تصویر و پژوهش: © Canciani et al., 2024

کاربردها: از سنگ‌های معدنی تا معدن‌کاری شهری

لیچینگ فراصوتی به‌طور فزاینده‌ای برای هر دو نوع منابع اولیه و ثانویه بررسی می‌شود:

• طلا و نقره
  نشان داده شده است که فراصوت پرتوان با بهبود انتقال و رفع اثرات غیرفعال‌شدن سطح، لیچینگ طلا را در سیانید و عوامل لیچینگ جایگزین تسریع می‌کند. این روش برای بازیابی نقره از سنگ‌های معدنی و پسماندهای صنعتی نیز کاربرد دارد.
• فلزات گروه پلاتین (PGMs)
  بازیابی پلاتین، پالادیم و رودیم – به‌ویژه از مبدل‌های کاتالیستی مستعمل – اغلب بر سامانه‌های لیچینگ مبتنی بر کلرید یا اسیدی متکی است. فراصوت با تشدید واکنش‌های سطحی و بهبود تجزیه ماتریس‌های پیچیده سرامیکی/فلزی، سینتیک انحلال را تسریع می‌کند.
• قراضه‌های الکترونیکی
  بردهای مدار چاپی و قطعات الکترونیکی حاوی فلزات گران‌بهای ارزشمند هستند، اما به‌دلیل وجود پلیمرها، اکسیدها و ساختارهای چندماده‌ای، موانع شدیدی در برابر نفوذ ایجاد می‌کنند. تیمار فراصوتی یکنواختی لیچینگ را بهبود می‌دهد و می‌تواند زمان موردنیاز برای لیچینگ را کاهش دهد.
• عناصر خاکی کمیاب از خاکستر زغال‌سنگ
  خاکستر زغال‌سنگ می‌تواند حاوی فلزات ارزشمند و عناصر خاکی کمیاب باشد که اغلب درون فازهای معدنی یا یک ماتریس آلومینوسیلیکاتی شیشه‌ای مقید هستند. تیمار فراصوتی تماس میان ذرات خاکستر و محلول لیچینگ را بهبود می‌دهد؛ این امر می‌تواند کارایی استخراج را افزایش دهد و زمان لیچینگ را کوتاه کند.
  درباره لیچینگ فراصوتی عناصر خاکی کمیاب از خاکسترها بیشتر بخوانید!

مزایای کلیدی فرایند

از دیدگاه مهندسی فرایند، لیچینگ فراصوتی چندین مزیت قابل‌اندازه‌گیری دارد:

• زمان کوتاه‌تر لیچینگ از طریق تسریع سینتیک
• بازده استخراج بالاتر به‌دلیل بهبود دسترسی به سطح
• مصرف کمتر واکنشگر در بسیاری از سامانه‌ها (نیاز کمتر به عامل لیچینگ اضافی)
• بهبود تکرارپذیری از طریق پراکنده‌سازی و اختلاط بهتر
• امکان کاهش دمای عملیاتی، زیرا فراصوت کندترشدن سینتیک حرارتی را جبران می‌کند

ملاحظات فرایندی و افزایش مقیاس

موفقیت لیچینگ فراصوتی به‌شدت به طراحی فرایند وابسته است. پارامترهای حیاتی عبارت‌اند از:

• چگالی توان و دامنه فراصوت
• غلظت دوغاب و توزیع اندازه ذرات
• هندسه راکتور و شرایط جریان
• کنترل دما
• انتخاب شیمی لیچینگ (اسیدی، قلیایی، کلریدی و غیره)

نکته مهم این است که اجرای فرایند در مقیاس صنعتی به راکتورهای فراصوتی پرتوان از نوع پروبی نیاز دارد، زیرا سونیکاتورهای حمامی معمولاً انرژی کافی را به دوغاب‌های غلیظ لیچینگ منتقل نمی‌کنند. سلول‌های جریان فراصوتی درون‌خطی را می‌توان در مدارهای پیوسته لیچینگ ادغام کرد و بدین‌ترتیب امکان افزایش مقیاس عملیات را فراهم ساخت. سونیکاتورهای پربازده Hielscher برای پردازش حجم‌های بالا در شرایط دشوار ساخته شده‌اند – بازده فلزات لیچ‌شده را افزایش می‌دهند و هم‌زمان زمان پردازش و اثرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهند.

طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان

سونیکاتورهای Hielscher به بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شناخته می‌شوند. استحکام و کاربری آسان، ادغام بی‌دردسر سونیکاتورهای ما را در تأسیسات صنعتی امکان‌پذیر می‌کند. سونیکاتورهای Hielscher به‌آسانی از عهده شرایط سخت و محیط‌های دشوار برمی‌آیند.

Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهینامه ISO است و بر سونیکاتورهای پربازده مجهز به فناوری روز و برخوردار از کاربری آسان تأکید ویژه‌ای دارد. البته سونیکاتورهای Hielscher با CE انطباق دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.

منابع علمی / مراجع

• 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.