שטיפה אולטראסונית של יסודות אדמה נדירים מאפר
שטיפה אולטראסונית יכולה להגדיל את תפוקת ההפקת ולקצר את זמני העיבוד בעת הפקת יסודות אדמה נדירים מאפר. באמצעות שיפור המגע בין חלקיקי האפר לחומרי השטיפה, אולטראסאונד עוצמתי מאיץ את תהליך ההמסה ומסייע בהפיכת היסודות בעלי הערך לנגישים יותר. מחקרים על אפר פחם מעידים על הפוטנציאל: חוקרים דיווחו על מיצוי של 97% איטריום, בעוד שמחקר נפרד על גליום וונדיום הצליח לקצר את משך השטיפה בחומצה מ-180 דקות ל-20 דקות.
אפר כמשאב משני ליסודות אדמה נדירים
אפר מהווה משאב משני מבטיח ליסודות אדמה נדירים (REE). שאריות שריפת פחם עשויות להכיל איטריום ויסודות אדמה נדירים אחרים המשמשים בתעשיית האלקטרוניקה, בטכנולוגיות אנרגיה ובחומרים מתקדמים. מיצוי יסודות אלה מזרמי אפר וממצבורי אפר קיימים עשוי לגוון את מקורות אספקת חומרי הגלם ולהפוך חומר המיועד לסילוק לחומר גלם שימושי.
פוטנציאל ההפקת תלוי הן בריכוז היסודות והן בנגישותם. אפר עשוי להכיל יסודות בעלי ערך, אך לשחרר רק חלק מוגבל מהם במהלך השטיפה אם המטריצה המינרלית הסובבת מגבילה את גישת החומרים הכימיים. לפיכך, יש לשקול יחד את הרכב האפר, הטיפול המקדים ואת הכימיה של תהליך השטיפה. מיצוי מספר יסודות בעלי ערך מאותו חומר גלם עשוי גם הוא לשפר את סיכויי ההצלחה של התהליך.
השרייה אולטראסונית מפרקת חלקיקי אפר, ובכך מאפשרת לחומרים הנדירים להיקלט בחומרי ההשריה. באמצעות שיפור העברת המסה בין החלקיקים לחומר ההשריה, הטיפול האולטראסוני מגביר את שיעור ההשבה תוך קיצור זמן העיבוד!
התקנה תעשייתית של מכשירי סוניקציה מתוצרת Hielscher: מערך מכשירי סוניקציה בהספק 48 קילוואט לשטיפה מקוונת של יסודות אדמה נדירה מאפר פחם
כיצד האולטרסאונד משפר את שטיפת האפר
אולטרסאונד עוצמתי מגביר את יעילות המיצוי בין חומר מוצק לנוזל באמצעות קוויטציה אקוסטית. בועות מיקרוסקופיות נוצרות ומתפוצצות בתוך הנוזל, ויוצרות כוחות גזירה מקומיים, סילוני מיקרו וערבוב אינטנסיבי. השפעות אלו יכולות לפזר אגרגטים של חלקיקים, לנקות משטחים חשופים ולשפר את העברת חומרי השטיפה לאתרים התגובתיים. חומרים מומסים מועברים החוצה במהירות רבה יותר, מה שתורם להמשך תהליך ההמסה.
בכל הנוגע לעיבוד אפר, לתופעות אלו יש מספר יתרונות מעשיים:
- שטיפה מהירה יותר: העברת מסה משופרת יכולה לקצר את הזמן הדרוש להפקת מתכות נגישות.
- תשואות מיצוי גבוהות יותר: שיפור במגע עם המשטח עשוי לסייע בשחרור חומר שלא עבר שטיפה מספקת בתהליך ערבוב קונבנציונלי.
- שילוב עם טיפול מקדים: אולטרסאונד יכול להגביר את שלב השטיפה לאחר שההפעלה הפכה את השלבים העמידים לנגישים יותר.
- פיתוח תהליכים גמיש: ניתן לפתח את תהליך הסוניקציה כך שיתאים לריכוזי חומצה, עומסי מוצקים, טמפרטורות וזמני טיפול שונים.
דוגמאות למחקר: תשואות גבוהות וזמני שטיפה קצרים יותר
המחקרים הבאים ממחישים יתרונות אלה בתנאים ניסוייים ספציפיים. איטריום הוא יסוד נדיר; גליום וונדיום הם מתכות יקרות נוספות. הפקתן מספקת ראיות משלימות לעיבוד אפר באמצעות אולטרסאונד.
איטריום וונדיום: שיעור מיצוי של עד 97% ו-100%
Masoum et al. (2021) חקרו את מיצוי הוונדיום והאיטריום מאפר פחם באמצעות חומצה גופרתית, מי חמצן ואולטרסאונד. החוקרים יישמו את מתודולוגיית משטח התגובה כדי לייעל את היחס בין החומר המוצק לנוזל ואת הפרופורציות של חומצה גופרתית ומי חמצן. בתנאים המותאמים, שיעור המיצוי המדווח הגיע ל-100% עבור ונדיום ול-97% עבור איטריום.
מודל "ליבה מתכווצת" שעבר התאמה הצביע על כך שדיפוזיה של מסה היא הגורם הקובע את קצב התגובה. ממצא זה מדגיש את חשיבותם של תהליכי ההובלה במערכת הנחקרת, ותומך בהתמקדות בהעברת מסה במהלך אופטימיזציה של התהליך. התוצאות מראות כי ניתן להשיג מיצוי גבוה של יטריום באמצעות הטיפול המשולב, אף על פי שהתשואות המדווחות משקפות את השימוש המלא בחומר התגובה ובמערכת האולטראסאונד.
תמונות FESEM של אפר פחם גולמי: (א) משמאל – לפני שטיפת אפר הפחם; (ב) לאחר שטיפה באמצעות גלי קול.
המחקר והתמונות: ©Masoum et al., 2021
גאליום וונדיום: 88.89% – זמן שטיפה קצר יותר
Zhang et al. (2026) חקרו תהליך שטיפה בחומצה באמצעות גלי קול לאחר צלייה להפעלה עם סודיום קרבונט. הטיפול המקדים האופטימלי כלל צלייה בטמפרטורה של 850°C למשך 60 דקות, תוך שימוש ביחס מסה של אפר מרחף ל-Na₂CO₃ של 2:1. שטיפה חומצית אולטראסונית שבוצעה לאחר מכן השיגה מיצוי גבוה של גליום וונדיום תוך 20 דקות.
| פרמטר | שטיפה אולטראסונית לאחר צלייה להפעלה | שטיפה קונבנציונלית |
|---|---|---|
| זמן השרייה | עשרים דקות | 180 דקות |
| יעילות שטיפת הגליום | 98.14% | 63.81% |
| יעילות שטיפת ונדיום | 92.32% | 83.56% |
הקיצור מ-180 דקות ל-20 דקות משקף קיצור של 88.89% בשלב השטיפה. ניתוח קינטי הצביע על עלייה בקבועי הקצב ועל שיפור הן בתהליכי העברת המסה והן בתהליכי התגובה הבין-ממשקית. תוצאות אלו מדגימות את הפוטנציאל הטמון בשילוב של קלייה להפעלה עם שטיפה אולטראסונית. החיסכון בזמן חל על תהליך השטיפה; הצלייה נותרת שלב עיבוד נוסף.
שטיפת חומצה משופרת אולטרסאונד פועלת בקצב מהיר פי שתים עשרה משטיפת חומצה קונבנציונלית, בשל הפעולה המכנית המועילה של בועות קוויטציה המתפוצצות בסמוך לפני השטח. תופעה זו משפרת את ערבוב תמיסת החומצה, ובכך משפרת את תכונות ההובלה.
תמונה ומחקר: © Canciani et al., 2024
2 מכשירי סוניקציה תעשייתיים מדגם UIP4000hdT לעיבוד בתנאים קשים
פיתחו את תהליך השטיפה האולטראסונית שלכם להשגת שיעור השבה גבוה של מתכות נדירות
בתהליך הפקת מתכות נדירות בפועל, לאחר השרייה מתבצעים שלבי הפרדה וטיהור של היסודות המומסים. לפיכך, יעילות השרייה גבוהה מהווה תוצאה ביניים חשובה, ולא את התפוקה של מוצר סופי המכיל מתכות נדירות. הערכת התהליך צריכה לכלול את השחזור בשלב הבא, את השימוש בחומרים כימיים ואת האנרגיה הנדרשת הן לטיפול מקדים והן לעיבוד קולי.
חברת Hielscher מציעה מכשירי סוניקציה שולחניים ברמה תעשייתית וכורים זרימה אולטראסוניים בעלי עמידות גבוהה לפיתוח ויישום תהליכי שטיפה מוגברים. בחירת הציוד וניסויים יכולים לקבוע את המשרעת המתאימה, עומס המוצקים, זמן השהייה ובקרת הטמפרטורה עבור אפר מסוים.
הרחבה פשוטה לכמויות גדולות: לאחר שנקבעו הפרמטרים להפקת תוצרים מיטבית, ניתן להגדיל אותם באופן ליניארי לכל נפח שטיפה מסחרי.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים לערבוב יישומים, פיזור, תחליב וחילוץ בקנה מידה מעבדתי, פיילוט ותעשייתי.
תמונות SEM עבור חלקיקים בזמנים שונים של שטיפה קונבנציונלית (a-c) ועל-קולית (d-f).
תמונה ומחקר: © Canciani et al., 2024
שאלות נפוצות
כיצד משפר האולטרסאונד את תהליך השטיפה של מתכות נדירות מאפר?
אולטרסאונד יוצר קוויטציה אקוסטית בתערובת השטיפה. התפוצצות הבועות גורמת לערבוב מקומי עז, לכוחות גזירה ולמיקרו-סילונים המשפרים את המגע בין חלקיקי האפר לתמיסת השטיפה. השפעות אלו חושפות משטחים תגובתיים ומאיצות את העברת המסה, ובכך תורמות להגדלת תפוקות החילוץ ולקיצור זמני השטיפה.
אילו יסודות אדמה נדירים ומתכות יקרות ניתן להפיק מאפר?
בהתאם למקורן ולהרכבן המינרלי, ניתן לשטוף את האפר כדי להפיק ממנו יסודות אדמה נדירים, לרבות לנתן (La), סריום (Ce), ניאודימיום (Nd), דיספרוסיום (Dy), איטריום (Y) וסקנדיום (Sc). אפר פחם הוא מקור פוטנציאלי ליסודות אלה.
מתכות יקרות נוספות כוללות גליום (Ga) וונדיום (V) באפר פחם מתאים, וכן נחושת (Cu) ואבץ (Zn) באפר שמקורו בשריפת פסולת עירונית.
מדוע להשתמש במכשיר סוניקציה בעל עוצמה גבוהה לשטיפת אפר?
מכשיר סוניקציה עם חיישן מזרים אנרגיית אולטרה-סאונד ישירות לתוך התרחיף באמצעות סונוטרוד (חיישן/מוט אולטרה-סאונד). הדבר מאפשר טיפול אינטנסיבי בתערובות מוצק-נוזל ומספק תנאי עיבוד הניתנים להתאמה. ציוד הסוניקציה התעשייתי של Hielscher תומך בשילוב במעגלי שטיפה, שבהם הזנת אנרגיה מבוקרת ותפעול אמין הם חיוניים. התצורה צריכה להתאים להרכב התרחיף, לעומס המוצקים ולתפוקה הנדרשת.
להלן מספר יישומים של תהליך השרייה מבית Hielscher:
האם מכשירי הסוניקציה של Hielscher יכולים לפעול ברציפות?
כן. מכשירי הסוניקציה התעשייתיים של Hielscher, כגון ה-UIP500hdT (500 וואט) ועד ה-UIP16000hdT (16,000 וואט), תוכננו לפעולה רציפה 24 שעות ביממה, 7 ימים בשבוע. ניתן להגדירן לעיבוד אצווה, למחזור או לעיבוד רציף באמצעות תא זרימה קולי. לצורך שטיפת אפר, המערכת משולבת במערכת שאיבת התרחיף, בבקרת הטמפרטורה ובתהליך הכימי הנבחר לשטיפה.
האם ניתן להגדיל את היקף תהליך השטיפה הקולית לרמת ייצור תעשייתי?
כן, מכשירי הסוניקציה של Hielscher מאפשרים הגדלה ליניארית של היקף הייצור. Hielscher מציעה ציוד לניסויים במעבדה, לעיבוד פיילוט ולייצור תעשייתי, כולל מעבדים בהספק של 16 קילוואט שניתן לשלב בקבוצות. תהליך ההרחבה מתחיל בניסויים לקביעת המשרעת, צריכת האנרגיה, הטמפרטורה וזמן השהייה המתאימים. תוצאות אלה מהוות את הבסיס לבחירת קיבולת הכור ולאימות ביצועי החילוץ בתפוקה הנדרשת.
האם האולטרסאונד מחליף את החומצות או את הקלייה להפעלה?
אולטרסאונד מעצים את תהליך השטיפה, בעוד שחומרים כימיים מספקים את התנאים הכימיים הדרושים להמסת היסודות המבוקשים. בחלק מהאפר ייתכן שיהיה צורך גם בטיפול מקדים כדי לאפשר גישה לשלבים המינרליים העמידים.
אילו פרמטרים בתהליך ניתן לפקח עליהם?
כל מכשירי הסוניקציה של Hielscher בהספק של 200 וואט ומעלה תומכים בניטור ובתיעוד אוטומטי של משרעת, הספק, משך הטיפול והטמפרטורה, כאשר מדידת לחץ זמינה באמצעות חיישן אופציונלי. נתונים אלה מסייעים בהשוואת ניסויים ובשחזור תנאי הפעולה באופן אמין. יש לקבוע את יעילות מיצוי היסודות הנדירים בנפרד באמצעות ניתוח כימי של חומר הגלם, התמיסה המופקת והמוצקים הנותרים.
האם ניתן להשתמש בציוד אולטראסוני עם תמיסות אפר חומציות ושוחקות?
חברת Hielscher Ultrasonics מציעה פתרונות לטיפול באולטרסאונד בתערובות נוזליות חומציות ושוחקות של אפר. יש לבחור את הסונוטרודים, תאי הזרימה, האטמים ורכיבים רטובים אחרים בהתאם להרכב החומצה, לריכוז, לטמפרטורה ולמידת השחיקה של החלקיקים.
האם יעילות שטיפה גבוהה יותר פירושה שיעור התאוששות גבוה יותר של מתכות נדירות בסופו של דבר?
כן, יעילות שטיפה גבוהה יותר פירושה שכמות גדולה יותר של היסוד המבוקש מועברת לשלב הנוזלי. ייצור מוצר בר-שימוש של מתכות נדירות מצריך גם תהליכי הפרדה וטיהור בהמשך התהליך. שיעור ההפקת הכולל תלוי בביצועי התהליך כולו.
כיצד עליי לבחור מכשיר סוניקציה של Hielscher המתאים לתהליך שלי?
התחילו בדגימות אפר מייצגות והגדירו את היסודות המבוקשים, ריכוז התרחיף, תהליך השטיפה הכימי, נפח האצווה או קצב הזרימה, ותפוקת החילוץ הרצויה. אנו ב-Hielscher יכולים לסייע לכם בבחירת הציוד לניסויי היתכנות ולהגדלת היקף הייצור בקנה מידה ליניארי בהמשך. 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.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.