Harvinaisten maametallien ultraääniliuotus tuhkasta
Ultraääniliuotus voi lisätä uuttotuottoja ja lyhentää käsittelyaikoja harvinaisten maametallien talteenotossa tuhkasta. Parantamalla tuhkapartikkelien ja liuotusaineiden välistä kosketusta tehoultraääni nopeuttaa liukenemista ja auttaa saamaan arvokkaita alkuaineita paremmin talteen. Hiilen lentotuhkaa koskevat tutkimukset osoittavat tämän potentiaalin: tutkijat raportoivat 97 prosentin yttriumin uuttotehokkuuden, kun taas erillisessä galliumia ja vanadiinia koskevassa tutkimuksessa happouuttamisen kesto lyheni 180 minuutista 20 minuuttiin.
Tuhka harvinaisten maametallien toissijaisena raaka-aineena
Tuhka on lupaava toissijainen raaka-aine harvinaisten maametallien (REE) hankinnassa. Kivihiilen polttotuhkassa voi olla yttriumia ja muita harvinaisia maametalleja, joita käytetään elektroniikassa, energiateknologiassa ja kehittyneissä materiaaleissa. Näiden alkuaineiden talteenotto nykyisistä tuhkavirroista ja -varastoista voisi monipuolistaa raaka-aineiden hankintaa ja muuttaa jätemateriaalin hyödylliseksi raaka-aineeksi.
Uuttamispotentiaali riippuu sekä alkuaineiden pitoisuudesta että niiden saatavuudesta. Tuhka voi sisältää arvokkaita alkuaineita, mutta vapauttaa uuttamisen aikana vain pienen osan niistä, jos ympäröivä mineraalimatriisi rajoittaa reagenssin pääsyä. Siksi tuhkan koostumusta, esikäsittelyä ja uuttamisprosessin kemiaa on tarkasteltava yhdessä. Useiden arvokkaiden alkuaineiden talteenotto samasta raaka-aineesta voi myös parantaa prosessin kannattavuutta.
Ultraääniliuotus hajottaa tuhkapartikkelit palasiksi, jolloin harvinaiset maametallit vapautuvat liuotusreagenssien käyttöön. Parantamalla massansiirtoa partikkelien ja reagenssin välillä ultraäänikäsittely lisää saantoa ja lyhentää samalla käsittelyaikaa!
Hielscher-ultraäänilaitteiden teollinen asennus: 48 kW:n ultraäänilaiteklusteri harvinaisten maametallien uuttamiseen kivihiilituhkasta tuotantolinjan yhteydessä
Miten ultraääni parantaa tuhkan liukenemista
Tehokas ultraääni tehostaa kiinteän aineen ja nesteen välistä uuttamista akustisen kavitaation avulla. Nesteeseen muodostuu ja hajoaa mikroskooppisen pieniä kuplia, jotka tuottavat paikallisia leikkausvoimia, mikrosuihkuja ja voimakasta sekoittumista. Nämä vaikutukset voivat hajottaa hiukkasten agglomeraatteja, puhdistaa paljaita pintoja ja parantaa uuttavien aineiden kulkeutumista reaktiivisiin kohtiin. Liuenneet aineet kulkeutuvat pois nopeammin, mikä auttaa ylläpitämään liukenemista.
Tuhkan käsittelyssä näistä vaikutuksista on useita käytännön etuja:
- Nopeampi liukeneminen: Parannettu aineensiirto voi lyhentää saatavilla olevien metallien uuttamiseen tarvittavaa aikaa.
- Paremmat uuttotuotokset: Pinnan kosketuksen parantaminen voi auttaa irrottamaan ainesta, joka jää riittämättömästi liuotetuksi tavanomaisessa sekoituksessa.
- Yhdistelmä esikäsittelyn kanssa: Ultraääni voi tehostaa liukenemisvaihetta sen jälkeen, kun aktivointi on tehnyt resistentit faasit helpommin saavutettaviksi.
- Joustava prosessikehitys: Ultraäänikäsittelyä voidaan kehittää siten, että se mukautuu vaihteleviin happopitoisuuksiin, kiintoainepitoisuuksiin, lämpötiloihin ja käsittelyaikoihin.
Tutkimusesimerkkejä: korkeat saannot ja lyhyemmät huuhteluajat
Seuraavat tutkimukset havainnollistavat näitä etuja tietyissä koeolosuhteissa. Yttrium on harvinaisten maametallien ryhmään kuuluva alkuaine; gallium ja vanadiini ovat muita arvokkaita metalleja. Niiden talteenotto tarjoaa lisätodisteita tuhkan ultraäänikäsittelyn hyödyllisyydestä.
Yttrium ja vanadiini: jopa 97 % ja 100 %:n uuttotehokkuus
Masoum ym. (2021) tutkivat vanadiinin ja yttriumin uuttamista kivihiilen lentotuhkasta rikkihapon, vetyperoksidin ja ultraäänen avulla. Tutkijat sovelsivat vastepintamenetelmää kiinteän aineen ja nesteen suhteen sekä rikkihapon ja vetyperoksidin osuuksien optimoimiseksi. Optimoiduissa olosuhteissa raportoidun uuttotuloksen todettiin olevan 100 % vanadiinin ja 97 % yttriumin osalta.
Muokattu kutistuvan ytimen malli osoitti, että massan diffuusio sääteli reaktiovauhtia. Tämä havainto korostaa kuljetusprosessien merkitystä tutkittavassa järjestelmässä ja tukee massansiirron ottamista huomioon prosessin optimoinnissa. Tulokset osoittavat, että yhdistetyllä käsittelyllä voidaan saavuttaa korkea yttriumin uuttoteho, vaikka raportoidut saannot heijastavatkin koko reagenssi- ja ultraäänijärjestelmän suorituskykyä.
FESEM-kuvat raakahiilituhkasta: (a) vasemmalla ennen hiilituhkan liuottamista, (b) ultraääniliuottamisen jälkeen.
Tutkimus ja kuvat: ©Masoum ym., 2021
Gallium ja vanadiini: 88,89 % lyhyempi liuotusaika
Zhang ym. (2026) tutkivat ultraäänipohjaista happouuttamista natriumkarbonaattia sisältävän aktivointipoltto-prosessin jälkeen. Optimoitu esikäsittely koostui 60 minuutin kestävästä paahtamisesta 850 °C:ssa, jolloin lentotuhkan ja Na₂CO₃:n massasuhde oli 2:1. Tämän jälkeen suoritettu ultraäänipohjainen happouutto saavutti korkean galliumin ja vanadiinin uuttotehokkuuden 20 minuutin kuluessa.
| Parametri | Ultraääniliuotus aktivointipolttoa seuraavalla | Perinteinen liuotus |
|---|---|---|
| Liukenemisaika | Kaksikymmentä minuuttia | 180 minuuttia |
| Galliumin liukenemistehokkuus | 98,14 % | 63,81 % |
| Vanadiinin liuotustehokkuus | 92,32 % | 83,56 % |
Ajan lyheneminen 180 minuutista 20 minuuttiin vastaa 88,89 %:n lyhennystä liuotuskierroksessa. Kineettinen analyysi osoitti nopeusvakioiden kasvun sekä massansiirron että rajapintareaktioiden tehostumisen. Nämä tulokset osoittavat aktivointipaahtamisen ja ultraääniliuottamisen yhdistämisen potentiaalin. Aikasäästö koskee liuotusta; paahtaminen on edelleen erillinen käsittelyvaihe.
Ultraäänellä tehostettu happouutto toimii kaksitoista kertaa nopeammin kuin tavanomainen happouutto, johtuen pinnan lähellä puhkeavien kavitaatiokuplien hyödyllisestä mekaanisesta vaikutuksesta. Tämä ilmiö parantaa happoliuosten sekoittumista, mikä parantaa kuljetusominaisuuksia.
Kuva ja tutkimus: © Canciani et al., 2024.
2 teollisuuskäyttöön tarkoitettua UIP4000hdT-ultraäänilaitetta raskaaseen käsittelyyn
Kehitä ultraäänipuhdistusprosessia, jolla saavutetaan korkea harvinaisten maametallien talteenottotehokkuus
Harvinaisten maametallien käytännön louhinnassa liuottamisen jälkeen liuenneet alkuaineet erotellaan ja puhdistetaan. Siksi korkea liuottamistehokkuus on tärkeä välitulos, eikä niinkään valmiin harvinaisten maametallituotteen saanto. Prosessin arvioinnissa tulisi ottaa huomioon jatkokäsittelyvaiheessa tapahtuva talteenotto, reagenssien käyttö sekä esikäsittelyyn ja ultraäänikäsittelyyn tarvittava energia.
Hielscher tarjoaa teollisuustason pöytämallisia ultraäänilaitteita ja raskaaseen käyttöön tarkoitettuja ultraäänivirtausreaktoreita tehostettujen liuotusprosessien kehittämiseen ja toteuttamiseen. Laitteiden valinnan ja kokeiden avulla voidaan määrittää tietylle tuhkalle sopiva amplitudi, kiintoainepitoisuus, viipymäaika ja lämpötilan säätö.
Helppo laajentaa suuriin tuotantomääriin: Kun optimaalisen talteenoton parametrit on määritetty, niitä voidaan sitten skaalata lineaarisesti mihin tahansa kaupalliseen liuotustilavuuteen.
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita sekoitussovelluksiin, dispersioon, emulgointiin ja uuttamiseen laboratorio-, pilotti- ja teollisessa mittakaavassa.
SEM-kuvat hiukkasille tavanomaisen (a–c) ja ultraääni (d–f) huuhtoutumisen eri aikoina.
Kuva ja tutkimus: © Canciani et al., 2024.
Usein Kysytyt Kysymykset
Miten ultraääni tehostaa harvinaisten maametallien liuotusta tuhkasta?
Ultraääni aiheuttaa akustista kavitaatiota uuttolietteessä. Räjähtävät kuplat aiheuttavat voimakasta paikallista sekoittumista, leikkausvoimia ja mikrosuihkuja, jotka parantavat tuhkapartikkelien ja uuttoliuoksen välistä kosketusta. Nämä vaikutukset paljastavat reaktiivisia pintoja ja nopeuttavat massansiirtoa, mikä auttaa lisäämään uuttotuottoja ja lyhentämään uuttoaikoja.
Mitä harvinaisia maametalleja ja arvometalleja voidaan uuttaa tuhkasta?
Alkuperästä ja mineraalikoostumuksesta riippuen tuhkat voidaan liuottaa harvinaisten maametallien, kuten lantanumin (La), ceriumin (Ce), neodymiumin (Nd), dysprosiumin (Dy), yttriumin (Y) ja skandiumin (Sc), erottamiseksi. Kivihiilen lentotuhka on potentiaalinen lähde näille alkuaineille.
Muita arvokkaita metalleja ovat gallium (Ga) ja vanadiini (V) sopivista kivihiilituhkista sekä kupari (Cu) ja sinkki (Zn) yhdyskuntajätteiden polttotuhkista.
Miksi tuhkan liuottamiseen kannattaa käyttää raskaaseen käyttöön tarkoitettua ultraäänilaitetta?
Anturipohjainen ultraäänilaite syöttää ultraäänienergiaa suoraan lietteeseen sonotrodin (ultraäänianturi/sauva) kautta. Tämä mahdollistaa kiinteä-nesteseosten intensiivisen käsittelyn ja tarjoaa säädettävät prosessointiolosuhteet. Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet soveltuvat integroitaviksi uuttopiireihin, joissa hallittu energian syöttö ja luotettava toiminta ovat olennaisia. Järjestelmän kokoonpanon tulee vastata lietteen koostumusta, kiintoainepitoisuutta ja vaadittua tuotantokapasiteettia.
Seuraavassa on muutamia esimerkkejä Hielscherin liuotusmenetelmistä:
Voivatko Hielscherin ultraäänilaitteet toimia jatkuvasti?
Kyllä. Hielscherin teollisuuskäyttöön tarkoitetut ultraäänilaitteet, kuten mallit UIP500hdT (500 W) – UIP16000hdT (16 000 W), on suunniteltu jatkuvaan käyttöön 24 tuntia vuorokaudessa, 7 päivää viikossa. Ne voidaan konfiguroida eräkäsittelyyn, kierrätykseen tai jatkuvaan käsittelyyn ultraäänivirtauskennon avulla. Tuhkan liuottamiseen järjestelmä on integroitu lietepumppaukseen, lämpötilan säätöön ja valittuun liuotuskemiaan.
Voidaanko ultraääniliuotus laajentaa teolliseen tuotantoon?
Kyllä, Hielscherin ultraäänilaitteilla voidaan toteuttaa lineaarinen tuotannon laajentaminen. Hielscher tarjoaa laitteita laboratoriokokeisiin, pilottituotantoon ja teolliseen tuotantoon, mukaan lukien 16 kW:n prosessorit, joita voidaan yhdistää klustereiksi. Skaalaus alkaa kokeilla, joilla määritetään sopiva amplitudi, energian syöttö, lämpötila ja viipymäaika. Nämä tulokset muodostavat perustan reaktorin kapasiteetin valinnalle ja uuttotehon validoinnille vaaditulla läpimenomäärällä.
Korvaako ultraääni happokäsittelyn tai aktivoivan paahtamisen?
Ultraääni tehostaa liuotusprosessia, kun taas kemialliset reagenssit tuottavat tarvittavan kemiallisen reaktion kohdeaineiden liuottamiseksi. Joissakin tuhkissa saattaa olla tarpeen suorittaa esikäsittely, jotta vaikeasti liukenevat mineraalivaiheet saadaan liukoisiksi.
Mitä prosessiparametreja voidaan seurata?
Kaikki vähintään 200 watin tehoiset Hielscher-ultraäänilaitteet tukevat amplitudin, tehon, käsittelyajan ja lämpötilan seurantaa ja automaattista tallennusta, ja paineen mittaus on mahdollista lisävarusteena saatavan anturin avulla. Näiden tietojen avulla voidaan verrata kokeita ja toistaa käyttöolosuhteet luotettavasti. Harvinaisten maametallien uuttotehokkuus on määritettävä erikseen syöttömateriaalin, uutteen ja jäljelle jääneiden kiintoaineiden kemiallisen analyysin avulla.
Voidaanko ultraäänilaitteita käyttää happamien, hankaavien tuhkaliuosten kanssa?
Hielscher Ultrasonics tarjoaa ratkaisuja happamien ja hankaavien tuhkasuspensioiden ultraäänikäsittelyyn. Sonotrodit, virtauskammiot, tiivisteet ja muut nesteen kanssa kosketuksissa olevat komponentit on valittava ottaen huomioon hapon koostumus, pitoisuus, lämpötila ja hiukkasten hankaavuus.
Tarkoittaako suurempi huuhtoutumistehokkuus sitä, että harvinaisten maametallien lopullinen saanto on suurempi?
Kyllä, suurempi liukenemistehokkuus tarkoittaa, että suurempi osa kohdeaineesta siirtyy nestemäiseen faasiin. Käyttökelpoisen harvinaisten maametallien tuotteen valmistaminen edellyttää myös prosessin loppupään erottelu- ja puhdistusvaiheita. Kokonaistuotto riippuu koko prosessin suorituskyvystä.
Miten valitsen Hielscher-ultraäänilaitteen prosessiini?
Aloita edustavista tuhkannäytteistä ja määritä kohdeelementit, lietteen pitoisuus, uuttamisprosessin kemiallinen koostumus, erän tilavuus tai virtausnopeus sekä haluttu uuttotuotto. Me Hielscherillä voimme auttaa sinua laitteiden valinnassa toteutettavuustutkimuksia ja niitä seuraavaa lineaarista mittakaavan laajennusta varten. Tekninen keskuksemme ja prosessilaboratoriomme tarjoavat myös kokeita laitteiden valinnan tueksi.
Kirjallisuus / Viitteet
- 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 valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita laboratorio jotta Teollisuuden koko.