מיצוי בהמסה של יסודות אדמה נדירים מאפר באמצעות אולטרסאונד
מיצוי בהמסה באמצעות אולטרסאונד יכול להגדיל את נצילות המיצוי ולקצר את זמני העיבוד בעת השבת יסודות אדמה נדירים מאפר. באמצעות שיפור המגע בין חלקיקי האפר לחומרי המיצוי, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מאיץ את ההמסה ומסייע להפוך יסודות בעלי ערך לנגישים יותר. מחקרים על אפר פחם מרחף מדגימים את הפוטנציאל: חוקרים דיווחו על מיצוי של 97% מהאיטריום, ואילו מחקר נפרד על גליום וונדיום קיצר את זמן המיצוי בחומצה מ־180 ל־20 דקות.
אפר כמשאב משני ליסודות אדמה נדירים
סוגי אפר שונים הם משאב משני מבטיח ליסודות אדמה נדירים (REEs). שאריות בעירת פחם עשויות להכיל איטריום ויסודות אדמה נדירים אחרים המשמשים באלקטרוניקה, בטכנולוגיות אנרגיה ובחומרים מתקדמים. השבת יסודות אלה מזרמי אפר וממצבורי אפר קיימים עשויה לגוון את מקורות אספקת חומרי הגלם ולהפוך חומר המיועד לסילוק לחומר הזנה שימושי.
פוטנציאל המיצוי תלוי הן בריכוז היסודות והן בנגישותם. אפר עשוי להכיל יסודות בעלי ערך, אך לשחרר רק חלק מוגבל מהם במהלך המיצוי בהמסה אם המטריצה המינרלית המקיפה אותם מגבילה את גישת המגיבים. לפיכך, יש לבחון יחד את הרכב האפר, את הטיפול המקדים ואת הכימיה של המיצוי בהמסה. השבת כמה יסודות בעלי ערך מאותו חומר הזנה עשויה גם לשפר את סיכויי ההצלחה של התהליך.
מיצוי בהמסה באמצעות אולטרסאונד מפרק את חלקיקי האפר והופך את יסודות האדמה הנדירים לנגישים למגיבי המיצוי. באמצעות שיפור מעבר המסה בין החלקיקים למגיב, סוניקציה מגבירה את ההשבה ובו בזמן מקצרת את זמן העיבוד!
התקנה תעשייתית של מכשירי סוניקציה מתוצרת Hielscher: מערך מכשירי סוניקציה בהספק 48kW למיצוי בהמסה של יסודות אדמה נדירים מאפר פחם בקו התהליך
כיצד אולטרסאונד משפר את המיצוי בהמסה מאפר
אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מגביר מיצוי מוצק–נוזל באמצעות קוויטציה אקוסטית. בועות מיקרוסקופיות נוצרות וקורסות בנוזל, ויוצרות כוחות גזירה מקומיים, מיקרו־סילונים וערבול עז. השפעות אלה יכולות לפזר צברי חלקיקים, לנקות משטחים חשופים ולשפר את הובלת חומרי המיצוי לאתרים פעילים מבחינה כימית. הצורונים המומסים מורחקים במהירות רבה יותר, וכך מסייעים לשמור על המשך ההמסה.
בעיבוד אפר, השפעות אלה מציעות כמה יתרונות מעשיים:
- מיצוי בהמסה מהיר יותר: מעבר מסה משופר יכול לקצר את הזמן הדרוש למיצוי מתכות נגישות.
- נצילות מיצוי גבוהה יותר: מגע משופר עם פני השטח יכול לסייע בשחרור חומר שמיצויו בהמסה נותר בלתי מספק בתנאי ערבול קונבנציונלי.
- שילוב עם טיפול מקדים: אולטרסאונד יכול להגביר את שלב המיצוי בהמסה לאחר ששפעול הפך פאזות עמידות לנגישות יותר.
- פיתוח גמיש של התהליך: ניתן לפתח ולהתאים את הסוניקציה לריכוזי חומצה, לתכולות מוצקים, לטמפרטורות ולזמני טיפול משתנים.
דוגמאות ממחקרים: נצילות גבוהה וזמני מיצוי בהמסה קצרים יותר
המחקרים הבאים ממחישים יתרונות אלה בתנאי ניסוי מסוימים. איטריום הוא יסוד אדמה נדיר; גליום וונדיום הם מתכות אחרות בעלות ערך. המיצוי שלהם מספק ראיות משלימות לעיבוד אפר באמצעות אולטרסאונד.
איטריום וונדיום: מיצוי של עד 97% ו־100%
Masoum ועמיתיו (2021) חקרו הפקת ונדיום ואיטריום מאפר פחם מרחף באמצעות חומצה גופרתית, מי חמצן ואולטרסאונד. החוקרים השתמשו במתודולוגיית משטח התגובה כדי למטב את יחס המוצק לנוזל ואת השיעורים היחסיים של החומצה הגופרתית ומי החמצן. בתנאים המיטביים, שיעור ההפקה המדווח הגיע ל-100% עבור ונדיום ול-97% עבור איטריום.
מודל ליבה מתכווצת מותאם הצביע על כך שדיפוזיית מסה שלטה בקצב התגובה. ממצא זה מדגיש את חשיבותם של תהליכי מעבר במערכת שנחקרה ותומך בהתמקדות במעבר מסה במהלך מיטוב התהליך. התוצאות מדגימות שניתן להשיג שיעור הפקה גבוה של איטריום באמצעות הטיפול המשולב, אם כי התפוקות המדווחות משקפות את המערכת המלאה, הכוללת את הריאגנטים ואת האולטרסאונד.
תמונות FESEM של אפר פחם גולמי: (a) משמאל, לפני מיצוי האפר בהמסה, (b) לאחר מיצוי בהמסה בסיוע אולטרסאונד.
מחקר ותמונות: ©Masoum et al., 2021
גליום וונדיום: זמן מיצוי בהמסה קצר ב-88.89%
Zhang ועמיתיו (2026) חקרו מיצוי חומצי בהמסה בסיוע אולטרסאונד לאחר קלייה לשפעול באמצעות נתרן פחמתי. הטיפול המקדים המיטבי כלל קלייה בטמפרטורה של 850°C במשך 60 דקות, תוך שימוש ביחס מסות של אפר מרחף ל-Na₂CO₃ של 2:1. המיצוי החומצי בהמסה בסיוע אולטרסאונד שבוצע לאחר מכן השיג שיעורי הפקה גבוהים של גליום וונדיום בתוך 20 דקות.
| פרמטר | מיצוי בהמסה בסיוע אולטרסאונד לאחר קליית שפעול | מיצוי בהמסה בשיטה קונבנציונלית |
|---|---|---|
| זמן המיצוי בהמסה | 20 min | 180 min |
| יעילות המיצוי בהמסה של גליום | 98.14% | 63.81% |
| יעילות המיצוי בהמסה של ונדיום | 92.32% | 83.56% |
ההפחתה מ-180 ל-20 דקות משמעה קיצור של שלב המיצוי בהמסה ב-88.89%. ניתוח קינטי הצביע על עלייה בקבועי הקצב ועל הגברה הן של מעבר המסה והן של תהליכי התגובה בממשק. תוצאות אלו מדגימות את הפוטנציאל של שילוב קליית שפעול עם מיצוי בהמסה בסיוע אולטרסאונד. החיסכון בזמן חל על המיצוי בהמסה; הקלייה נותרת שלב עיבוד נוסף.
מיצוי חומצי בהמסה המוגבר באמצעות אולטרסאונד מתבצע בקצב הגדול פי שנים עשר מזה של מיצוי חומצי בהמסה בשיטה קונבנציונלית, הודות לפעולה המכנית המועילה של בועות קוויטציה המתפוצצות בקרבת פני השטח. תופעה זו משפרת את ערבוב תמיסת החומצה, ובכך משפרת את תכונות המעבר.
תמונה ומחקר: © Canciani et al., 2024
2 מכשירי סוניקציה תעשייתיים UIP4000hdT לעיבוד בתנאי עבודה תובעניים
פתחו את תהליך המיצוי בהמסה בסיוע אולטרסאונד שלכם להשגת שיעור השבה גבוה של יסודות עפר נדירים
בהפקה מעשית של יסודות עפר נדירים, לאחר המיצוי בהמסה מתבצעים הפרדה וטיהור של היסודות המומסים. לפיכך, יעילות גבוהה של מיצוי בהמסה היא תוצאת ביניים חשובה, ולא תפוקתו של מוצר מוגמר של יסודות עפר נדירים. הערכת התהליך צריכה לכלול את ההשבה בשלבים הבאים, את השימוש בריאגנטים ואת האנרגיה הנדרשת הן לטיפול המקדים והן לסוניקציה.
Hielscher מציעה מכשירי סוניקציה שולחניים ברמה תעשייתית וריאקטורי זרימה אולטרסוניים לתנאי עבודה תובעניים, לצורך פיתוח ויישום של תהליכי מיצוי בהמסה מוגברים. בחירת ציוד וניסויים יכולים לקבוע משרעת מתאימה, עומס מוצקים מתאים, זמן שהייה מתאים ובקרת טמפרטורה מתאימה עבור אפר מסוים.
הגדלת קנה מידה פשוטה לנפחים גדולים: לאחר שנקבעו הפרמטרים להשבה מיטבית, ניתן להגדיל באמצעותם את קנה המידה באופן ליניארי לכל נפח מסחרי של מיצוי בהמסה.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומי ערבוב, פיזור, תחלוב ומיצוי בקנה מידה מעבדתי, ניסיוני ותעשייתי.
תמונות SEM של חלקיקים בזמנים שונים במהלך מיצוי בהמסה בשיטה קונבנציונלית (a–c) ובסיוע אולטרסאונד (d–f).
תמונה ומחקר: © Canciani et al., 2024
שאלות נפוצות
כיצד אולטרסאונד משפר את המיצוי בהמסה של יסודות עפר נדירים מאפר?
אולטרסאונד יוצר קוויטציה אקוסטית בתרחיף המיצוי בהמסה. בועות קורסות יוצרות ערבוב מקומי עז, כוחות גזירה ומיקרו-סילונים המשפרים את המגע בין חלקיקי האפר לתמיסת המיצוי בהמסה. השפעות אלו חושפות פני שטח תגובתיים ומאיצות את מעבר המסה, ובכך מסייעות להגדיל את תפוקות ההפקה ולקצר את זמני המיצוי בהמסה.
אילו יסודות עפר נדירים ומתכות בעלות ערך ניתן להפיק מאפר באמצעות מיצוי בהמסה?
בהתאם למקור האפר ולהרכב המינרלי שלו, ניתן לבצע בו מיצוי בהמסה להפקת יסודות עפר נדירים, ובהם לנתן (La), צריום (Ce), נאודימיום (Nd), דיספרוסיום (Dy), איטריום (Y) וסקנדיום (Sc). אפר פחם מרחף הוא מקור פוטנציאלי ליסודות אלה.
מתכות בעלות ערך נוספות כוללות גליום (Ga) וונדיום (V) באפר פחם מתאים, ונחושת (Cu) ואבץ (Zn) באפר משרפת פסולת עירונית.
מדוע להשתמש במכשיר סוניקציה בעל גשוש לעבודה מאומצת למיצוי בהמסה של אפר?
מכשיר סוניקציה בעל גשוש מחדיר אנרגיה אולטרסונית ישירות לתרחיף באמצעות סונוטרודה (גשוש/מוט אולטרסוני). הדבר מאפשר טיפול אינטנסיבי בתערובות מוצק–נוזל ומספק תנאי עיבוד הניתנים לכוונון. ציוד הסוניקציה התעשייתי של Hielscher תומך בשילוב במעגלי מיצוי בהמסה שבהם הזנת אנרגיה מבוקרת ופעולה אמינה הן חיוניות. יש להתאים את התצורה להרכב התרחיף, לתכולת המוצקים ולתפוקה הנדרשת.
להלן כמה מיישומי המיצוי בהמסה של Hielscher:
האם מכשירי הסוניקציה של Hielscher יכולים לפעול ברציפות?
כן. מכשירי הסוניקציה התעשייתיים של Hielscher, כגון UIP500hdT (500W) ועד UIP16000hdT (16,000W), מיועדים לפעולה רציפה 24/7. ניתן להגדיר אותם לטיפול באצוות, לסחרור חוזר או לעיבוד רציף דרך תא זרימה אולטרסוני. במיצוי בהמסה של אפר, המערכת משולבת בשאיבת התרחיף, בבקרת הטמפרטורה ובכימיית המיצוי בהמסה שנבחרה.
האם ניתן להגדיל את היקף המיצוי האולטרסוני בהמסה לייצור תעשייתי?
כן, מכשירי הסוניקציה של Hielscher מאפשרים הגדלה ליניארית של היקף התהליך. Hielscher מציעה ציוד לניסויים במעבדה, לעיבוד בקנה מידה של פיילוט ולייצור תעשייתי, כולל מעבדים בהספק 16 kW שניתן לשלב באשכולות. הגדלת היקף התהליך מתחילה בניסויים לקביעת משרעת, הזנת אנרגיה, טמפרטורה וזמן שהייה מתאימים. תוצאות אלה מספקות בסיס לבחירת קיבולת הריאקטור ולאימות ביצועי המיצוי בתפוקה הנדרשת.
האם אולטרסאונד מחליף חומצות או קלייה להפעלה?
אולטרסאונד מגביר את תהליך המיצוי בהמסה, ואילו ריאגנטים כימיים מספקים את הכימיה הדרושה להמסת יסודות המטרה. סוגי אפר מסוימים עשויים להזדקק גם לטיפול מקדים כדי להפוך פאזות מינרליות עמידות לנגישות.
אילו פרמטרים של התהליך ניתן לנטר?
כל מכשירי הסוניקציה של Hielscher בהספק של 200 ואט ומעלה תומכים בניטור וברישום אוטומטי של המשרעת, ההספק, זמן הטיפול והטמפרטורה, וניתן למדוד גם לחץ באמצעות חיישן אופציונלי. נתונים אלה מסייעים להשוות בין ניסויים ולשחזר את תנאי ההפעלה באופן אמין. יש לקבוע בנפרד את יעילות המיצוי של יסודות העפר הנדירים באמצעות אנליזה כימית של חומר ההזנה, התשטיף והמוצקים שנותרו.
האם ניתן להשתמש בציוד אולטרסוני עם תרחיפי אפר חומציים ושוחקים?
Hielscher Ultrasonics מציעה פתרונות לסוניקציה של תרחיפי אפר חומציים ושוחקים. יש לבחור סונוטרודות, תאי זרימה, אטמים ורכיבים אחרים הבאים במגע עם הנוזל בהתאם להרכב החומצה, לריכוזה, לטמפרטורה ולכושר השחיקה של החלקיקים.
האם יעילות גבוהה יותר של מיצוי בהמסה פירושה שיעור השבה סופי גבוה יותר של יסודות עפר נדירים?
כן, יעילות גבוהה יותר של מיצוי בהמסה פירושה שכמות גדולה יותר של יסוד המטרה עוברת לפאזה הנוזלית. ייצור מוצר שמיש של יסודות עפר נדירים מחייב גם הפרדה וטיהור בהמשך התהליך. שיעור ההשבה הכולל תלוי בביצועי התהליך המלא.
כיצד לבחור מכשיר סוניקציה של Hielscher לתהליך שלי?
התחילו בדגימות אפר מייצגות והגדירו את יסודות המטרה, ריכוז התרחיף, כימיית המיצוי בהמסה, נפח האצווה או ספיקת הזרימה ותפוקת המיצוי הרצויה. אנו ב-Hielscher יכולים לסייע לכם לבחור ציוד לניסויי היתכנות ולהגדלה ליניארית בהמשך של היקף התהליך. המרכז הטכני ומעבדת התהליכים שלנו מציעים גם ניסויים לתמיכה בבחירת הציוד.
ספרות / מקורות
- 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.
