שטיפה קולית של מתכות יקרות

אולטרסאונד כוח היא טכניקה יעילה כדי לחלץ מתכות כגון מתכות יקרות ויסודות נדירים. תהליך זה של מיצוי מוצק-נוזלי בסיוע אולטרה-סאונד ידוע בשם שטיפה סונו, lixiviation או שטיפה. ניתן להתקין בקלות אולטרסאונד תעשייתי חזק כדי לבודד כדורי ארץ נדירים מעפרות, לטפל בתרחיצי כרייה להתאוששות מלאה יותר או להפריד מתכות בעלות ערך גבוה (למשל Cu, Zn, Ni) ממתכות פחות יקרות.

השטיפה העל-קולית מקדמת את התגובה על ידי העברת מסה ופירוק, כך שמתקבלות תשואות גבוהות יותר בזמן מיצוי קצר יותר.
היתרונות העיקריים של שטיפה קולית הם:

• תשואה גבוהה יותר
• שטיפה מלאה יותר
• צריכת ריאגנטים מופחתת
• תנאים מתונים יותר
• בדיקת היתכנות פשוטה
• הרחבה ליניארית
• התקנה קלה של מערכות אולטרסאונד מסחריות מלאות
• אולטרסוניקטורים חזקים מאוד לזרמי נפח גדולים

שטיפת מתכות יקרות באמצעות גלי קול: מיצוי מהיר יותר באמצעות כימיה של קוויטציה

הפקת מתכות יקרות כגון זהב, כסף, פלטינה, פלדיום ורודיום היא אבן יסוד במטלורגיה ובמיחזור המודרניים. – במיוחד בעיבוד עפרות, תרכיזים ומשאבים משניים כגון גרוטאות אלקטרוניות וממירים קטליטיים. אמנם השרייה קונבנציונלית היא שיטה מבוססת, אך לעתים קרובות היא מוגבלת על ידי העברת מסה איטית, פסיבציה של פני השטח, שחרור לא מלא של שלבים בעלי ערך וצריכת ריאגנטים גבוהה.
שטיפה אולטראסונית פותרת רבים מהקשיים הללו על ידי החדרת גלי קול בעוצמה גבוהה לתוך תמיסת השטיפה, מה שמגביר באופן דרמטי את קצב התגובה באמצעות תופעה המכונה "קביטציה אקוסטית".

המנגנון המרכזי: קוויטציה אקוסטית

כאשר אולטרסאונד בעל עוצמה גבוהה מוחדר לנוזל, הוא יוצר בועות קוויטציה מיקרוסקופיות המתהוות ומתמוטטות במהירות. התמוטטות זו יוצרת תנאים מקומיים קיצוניים, כולל:

• מיקרו-ערבוב אינטנסיבי וכוחות גזירה
• מיקרו-סילונים במהירות גבוהה המכוונים אל משטחים מוצקים
• נקודות חמות מקומיות (טמפרטורות ולחצים גבוהים מאוד למשך מיקרו-שניות)

למרות שתופעות אלה מתרחשות בקנה מידה מיקרוסקופי, הן משפיעות מאוד על תהליך השטיפה המקרוסקופי על ידי חידוש מתמשך של המשטח התגובתי והאצת העברת החומרים הכימיים אל חלקיקים מוצקים וממנה.

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

מדוע אולטרסאונד משפר את תהליך השטיפה של מתכות יקרות

ברוב מערכות השטיפה, השלב המגביל את הקצב אינו התגובה הכימית עצמה, אלא העברת המגיבים דרך שכבות גבול, נקבוביות או סרטי משטח פסיביים. קוויטציה אולטראסונית משפרת את יעילות השטיפה באמצעות מספר השפעות סינרגטיות:

1. העברת מסה משופרת
   אולטרסאונד מפחית את עובי שכבת הדיפוזיה הסטטית המקיפה חלקיקים מוצקים. הדבר מאפשר לחומרים ממיסים (כגון ציאניד, תיו-סולפט, כלוריד, יודיד, תיו-אוראה או מערכות חומציות) להגיע מהר יותר אל פני השטח המכילים מתכת, בעוד שתרכובות מתכת מומסות מוסרות ביעילות רבה יותר.
2. הפעלת פני השטח של חלקיקים
   מיקרו-סילונים של קוויטציה וגלי הלם שוחקים, מנקים ומחוספסים באופן רציף את משטחי החלקיקים. פעולה זו חושפת שלבים מינרליים חדשים ומגדילה את שטח התגובה היעיל. – חשוב במיוחד בעפרות עקשניות או בחלקיקים מצופים.
3. שיבוש שכבות הפסיבציה
   מינרלים רבים המכילים מתכות יקרות יוצרים שכבות פני שטח במהלך תהליך השטיפה (למשל, תחמוצות, סולפטים, גופרית אלמנטרית או שכבות סיליקה). אולטרסאונד יכול לשבור פיזית את המחסומים הללו, ולהשיב את הגישה של חומר השטיפה לשלב המתכת שמתחת.
4. חדירה משופרת לתוך מוצקים נקבוביים
   במקרה של תרכיזים, זרזים וחלקיקי פסולת אלקטרונית, האולטרסאונד מסייע לדחוף נוזלים לתוך נקבוביות וסדקים מיקרוסקופיים, ובכך משפר את גישת החומרים הכימיים למתכות יקרות המוטמעות בהם.

התפלגות גודל חלקיקים לאחר שטיפה קולית וקונבנציונלית
תמונה ומחקר: © Canciani et al., 2024

יישומים: מעפרות לכרייה עירונית

שטיפה אולטראסונית נחקרת יותר ויותר הן במשאבים ראשוניים והן במשאבים משניים:

• זהב וכסף
  הוכח כי אולטרסאונד עוצמתי מאיץ את תהליך השטיפה של זהב בסיאניד ובחומרים ממיסים חלופיים, על ידי שיפור ההובלה והסרת השפעות הפסיבציה. הוא רלוונטי גם להפקת כסף מעפרות ושאריות תעשייתיות.
• מתכות מקבוצת הפלטינה (PGMs)
  הפקת פלטינה, פלדיום ורודיום – במיוחד מממירים קטליטיים משומשים – לעתים קרובות מסתמך על מערכות שטיפה מבוססות כלוריד או חומציות. אולטרסאונד משפר את קינטיקת ההמסה על ידי העצמת התגובות על פני השטח ושיפור פירוק מטריצות קרמיקה/מתכת מורכבות.
• פסולת אלקטרונית
  מעגלים מודפסים ורכיבים אלקטרוניים מכילים מתכות יקרות ערך, אך מהווים מחסום דיפוזיה חזק בשל פולימרים, תחמוצות ומבנים רב-חומריים. טיפול קולי משפר את אחידות השטיפה ומקצר את משך הזמן הנדרש לשטיפה.

יתרונות מרכזיים בתהליך

מנקודת מבט של הנדסת תהליכים, שטיפה אולטראסונית מציעה מספר יתרונות מדידים:

• זמני שטיפה קצרים יותר באמצעות קינטיקה מואצת
• תפוקת מיצוי גבוהה יותר הודות לגישה משופרת למשטח
• צריכת ריאגנטים נמוכה יותר במערכות רבות (פחות צורך בעודף חומר שטיפה)
• שיפור יכולת השחזור באמצעות פיזור וערבוב טובים יותר
• טמפרטורת פעולה נמוכה יותר באופן פוטנציאלי, מכיוון שהאולטרסאונד מפצה על קינטיקה תרמית איטית יותר.

שיקולים תהליכיים והגדלה בקנה מידה

הצלחת תהליך השטיפה הקולית תלויה במידה רבה בתכנון התהליך. הפרמטרים הקריטיים כוללים:

• צפיפות הספק אולטרה-סאונד ומשרעת
• ריכוז תרחיף ופיזור גודל חלקיקים
• גיאומטריית הכור ותנאי הזרימה
• בקרת טמפרטורה
• בחירת חומר כימי לשטיפה (חומצי, אלקלי, כלוריד וכו')

חשוב לציין כי יישום בקנה מידה תעשייתי דורש כורים אולטראסוניים בעלי הספק גבוה מסוג בדיקה, שכן מכשירי סוניקציה באמבטיה בדרך כלל אינם מספקים אנרגיה מספקת לתערובות שטיפה צפופות. תאי זרימה אולטראסוניים מובנים ניתן לשלב במעגלי שטיפה רציפים, מה שמאפשר פעולה הניתנת להרחבה. מכשירי סוניקציה בעלי ביצועים גבוהים של Hielscher מיועדים לעיבוד כמויות גדולות בתנאים תובעניים. – הגדלת התפוקה של מתכות שנספחו תוך צמצום זמן העיבוד וההשפעה הסביבתית.

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

Hielscher ultrasonicators ידועים באיכות הגבוהה ביותר שלהם סטנדרטים עיצוב. חוסן ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. תנאים קשים וסביבות תובעניות מטופלים בקלות על ידי אולטרסוניקטורים Hielscher.

Hielscher Ultrasonics היא חברה מוסמכת ISO לשים דגש מיוחד על ultrasonicators ביצועים גבוהים שמציעות טכנולוגיה חדישה וידידותיות למשתמש. כמובן, Hielscher ultrasonicators הם תואמי CE ולעמוד בדרישות של UL, CSA ו RoHs.

ספרות / מקורות