Jalometallien ultraääniliuotus

Tehoultraääni on tehokas menetelmä metallien, kuten jalometallien ja harvinaisten maametallien, uuttamiseen. Tätä ultraääniavusteista kiinteä–nesteuuttoprosessia kutsutaan ultraääniliuotukseksi, liuotukseksi tai pesuksi. Kestävät teolliset ultraäänilaitteet on helppo asentaa harvinaisten maametallien liuottamiseen malmeista, kaivoslietteiden käsittelyyn täydellisempää talteenottoa varten tai arvokkaiden metallien (esim. Cu, Zn, Ni) erottamiseen vähemmän arvokkaista metalleista.

Ultraääniliuotus edistää reaktiota aineensiirron ja liukenemisen avulla, jolloin saadaan suurempia saantoja lyhyemmässä uuttoajassa.
Ultraääniliuotuksen tärkeimmät edut ovat:

• suurempi saanto
• täydellisempi liuotus
• pienempi reagenssien kulutus
• lievemmät olosuhteet
• yksinkertainen toteutettavuuden testaus
• lineaarinen mittakaavan suurentaminen
• täyden kaupallisen mittakaavan ultraäänijärjestelmien helppo asennus
• erittäin kestävät ultraäänilaitteet suurille tilavuusvirroille

Jalometallien ultraääniliuotus: nopeampi uutto kavitaatiokemian avulla

Jalometallien, kuten kullan, hopean, platinan, palladiumin ja rodiumin, talteenotto on nykyaikaisen metallurgian ja kierrätyksen kulmakivi – erityisesti malmien, rikasteiden ja sekundaaristen raaka-aineiden, kuten elektroniikkaromun ja katalysaattorien, käsittelyssä. Vaikka perinteinen liuotus on vakiintunut menetelmä, sitä rajoittavat usein hidas aineensiirto, pinnan passivoituminen, arvokkaiden faasien epätäydellinen vapautuminen ja suuri reagenssien kulutus.
Ultraääniliuotus ratkaisee monia näistä pullonkauloista johtamalla voimakasta ultraääntä liuotuslietteeseen ja tehostamalla reaktiokinetiikkaa huomattavasti akustiseksi kavitaatioksi kutsutun ilmiön avulla.

Keskeinen mekanismi: akustinen kavitaatio

Kun suuritehoista ultraääntä kytketään nesteeseen, syntyy mikroskooppisia kavitaatiokuplia, jotka muodostuvat ja luhistuvat nopeasti. Tämä luhistuminen synnyttää äärimmäisiä paikallisia olosuhteita, kuten:

• voimakasta mikrosekoittumista ja leikkausvoimia
• kiinteisiin pintoihin kohdistuvia nopeita mikrosuihkuja
• paikallisia kuumia pisteitä (erittäin korkeita lämpötiloja ja paineita mikrosekuntien ajan)

Vaikka nämä vaikutukset esiintyvät mikroskooppisessa mittakaavassa, ne vaikuttavat voimakkaasti makroskooppiseen liuotusprosessiin uudistamalla jatkuvasti reaktiivista pintaa ja nopeuttamalla reagenssien kulkeutumista kiinteiden hiukkasten pinnalle ja sieltä pois.

Ultraäänellä tehostettu happoliuotus etenee kaksitoista kertaa nopeammin kuin perinteinen happoliuotus, mikä johtuu pinnan lähellä luhistuvien kavitaatiokuplien hyödyllisestä mekaanisesta vaikutuksesta. Tämä ilmiö parantaa happoliuoksen sekoittumista ja tehostaa siten aineensiirto-ominaisuuksia.
Kuva ja tutkimus: © Canciani et al., 2024

Miksi ultraääni parantaa jalometallien liuotusta

Useimmissa liuotusjärjestelmissä nopeutta rajoittava vaihe ei ole itse kemiallinen reaktio, vaan reaktanttien kulkeutuminen rajakerrosten, huokosten tai passivoivien pintakalvojen läpi. Ultraäänikavitaatio parantaa liuotuksen tehokkuutta useiden toisiaan vahvistavien vaikutusten avulla:

1. Tehostunut aineensiirto
   Ultraääni ohentaa kiinteitä hiukkasia ympäröivää liikkumatonta diffuusiokerrosta. Näin liuotusaineet (esim. syanidi, tiosulfaatti, kloridi, jodidi, tiourea tai happamat järjestelmät) pääsevät metallia sisältävälle pinnalle nopeammin, samalla kun liuenneet metallikompleksit poistuvat tehokkaammin.
2. Hiukkasten pinnan aktivointi
   Kavitaation mikrosuihkut ja iskuaallot kuluttavat, puhdistavat ja karhentavat jatkuvasti hiukkasten pintoja. Tämä paljastaa tuoreita mineraalifaaseja ja kasvattaa tehokasta reaktiivista pinta-alaa – mikä on erityisen tärkeää vaikeasti käsiteltävissä malmeissa tai pinnoitetuissa hiukkasissa.
3. Passivaatiokerrosten hajottaminen
   Monet jalometalleja sisältävät mineraalit muodostavat liuotuksen aikana pintakerroksia (esim. oksideja, sulfaatteja, alkuainerikkiä tai piidioksidikalvoja). Ultraääni voi hajottaa nämä esteet mekaanisesti ja palauttaa liuotusaineen pääsyn niiden alla olevaan metallifaasiin.
4. Parempi tunkeutuminen huokoisiin kiinteisiin aineisiin
   Rikasteiden, katalyyttien ja elektroniikkajätehiukkasten käsittelyssä ultraääni auttaa pakottamaan nestettä huokosiin ja mikrosäröihin, mikä parantaa reagenssien pääsyä rakenteeseen sitoutuneiden jalometallien luo.

Hiukkaskokojakaumat ultraääniliuotuksen ja perinteisen liuotuksen jälkeen
Kuva ja tutkimus: © Canciani et al., 2024

Sovellukset: malmeista kaupunkikaivostoimintaan

Ultraääniliuotusta tutkitaan yhä enemmän sekä primaaristen että sekundaaristen raaka-aineiden käsittelyssä:

• Kulta ja hopea
  Tehoultraäänen on osoitettu nopeuttavan kullan liuotusta syanidissa ja vaihtoehtoisissa liuotusaineissa parantamalla aineensiirtoa ja poistamalla passivoitumisen vaikutuksia. Sillä on merkitystä myös hopean talteenotossa malmeista ja teollisuuden jäännösmateriaaleista.
• Platinaryhmän metallit (PGM)
  Platinan, palladiumin ja rodiumin talteenotto – erityisesti käytöstä poistetuista katalysaattoreista – perustuu usein kloridipohjaisiin tai happamiin liuotusjärjestelmiin. Ultraääni tehostaa liukenemiskinetiikkaa voimistamalla pintareaktioita ja parantamalla monimutkaisten keraami- ja metallimatriisien hajoamista.
• Elektroniikkaromu
  Piirilevyt ja elektroniikkakomponentit sisältävät arvokkaita jalometalleja, mutta niiden polymeerit, oksidit ja monimateriaalirakenteet muodostavat voimakkaita diffuusioesteitä. Ultraäänikäsittely parantaa liuotuksen tasaisuutta ja voi lyhentää tarvittavaa liuotusaikaa.
• Harvinaiset maametallit kivihiilituhkasta
  Kivihiilituhka voi sisältää arvokkaita metalleja ja harvinaisia maametalleja, jotka ovat usein sitoutuneet mineraalifaaseihin tai lasimaiseen alumiinisilikaattimatriisiin. Ultraäänikäsittely parantaa tuhkahiukkasten ja liuotusliuoksen välistä kosketusta, mikä voi tehostaa uuttoa ja lyhentää liuotusaikaa.
  Lue lisää harvinaisten maametallien ultraääniliuotuksesta tuhkasta!

Prosessin keskeiset edut

Prosessitekniikan näkökulmasta ultraääniliuotus tarjoaa useita mitattavia etuja:

• lyhyemmät liuotusajat nopeutuneen kinetiikan ansiosta
• suuremmat uuttosaannot paremman pinnalle pääsyn ansiosta
• pienempi reagenssien kulutus monissa järjestelmissä (tarvitaan vähemmän ylimääräistä liuotusainetta)
• parempi toistettavuus paremman dispergoinnin ja sekoittumisen ansiosta
• mahdollisesti alhaisempi käyttölämpötila, koska ultraääni kompensoi hitaampaa lämpötilasta riippuvaa kinetiikkaa

Prosessissa huomioitavat asiat ja mittakaavan suurentaminen

Onnistunut ultraääniliuotus riippuu vahvasti prosessin suunnittelusta. Kriittisiä parametreja ovat:

• ultraäänen tehotiheys ja amplitudi
• lietteen pitoisuus ja hiukkaskokojakauma
• reaktorin geometria ja virtausolosuhteet
• lämpötilan säätö
• liuotuskemian valinta (hapan, emäksinen, kloridipohjainen jne.)

On tärkeää huomata, että teollisen mittakaavan toteutus edellyttää suuritehoisia, sondityyppisiä ultraäänireaktoreita, sillä ultraäänikylvyt eivät yleensä siirrä riittävästi energiaa tiheisiin liuotuslietteisiin. Linjaan asennettavat ultraäänivirtauskennot voidaan integroida jatkuvatoimisiin liuotuspiireihin, mikä mahdollistaa toiminnan mittakaavan suurentamisen. Hielscher valmistaa suorituskykyisiä ultraäänilaitteita suurten tilavuuksien käsittelyyn vaativissa olosuhteissa – ne kasvattavat liuotettujen metallien saantoja ja vähentävät samalla käsittelyaikaa ja ympäristövaikutuksia.

Suunnittelu, valmistus ja konsultointi – Saksassa valmistettua laatua

Hielscher tunnetaan ultraäänilaitteidensa korkeimmista laatu- ja suunnittelustandardeista. Kestävyys ja helppokäyttöisyys mahdollistavat ultraäänilaitteidemme sujuvan integroinnin teollisuuslaitoksiin. Hielscher valmistaa ultraäänilaitteita, jotka selviytyvät helposti ankarista olosuhteista ja vaativista ympäristöistä.

Hielscher Ultrasonics on ISO-sertifioitu yritys, joka painottaa erityisesti suorituskykyisiä ultraäänilaitteita, joissa yhdistyvät uusinta tekniikkaa edustava teknologia ja käyttäjäystävällisyys. Hielscher valmistaa ultraäänilaitteita, jotka ovat luonnollisesti CE-vaatimusten mukaisia ja täyttävät UL, CSA ja RoHs -vaatimukset.

Kirjallisuus / lähteet

• 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.