מיצוי בהמסה של מתכות יקרות באמצעות אולטרסאונד

אולטרסאונד רב־עוצמה הוא שיטה יעילה למיצוי מתכות כגון מתכות יקרות ויסודות אדמה נדירים. תהליך זה של מיצוי מוצק–נוזל בסיוע אולטרסאונד מכונה מיצוי בהמסה בסיוע אולטרסאונד, ליקסיביאציה או שטיפה. ניתן להתקין בקלות מכשירי אולטרסאונד תעשייתיים עמידים למיצוי בהמסה של יסודות אדמה נדירים מעפרות, לטיפול בתרחיפי כרייה לשם השבה מלאה יותר או להפרדת מתכות בעלות ערך גבוה (למשל Cu, Zn, Ni) ממתכות בעלות ערך נמוך יותר.

מיצוי בהמסה באמצעות אולטרסאונד מקדם את התגובה באמצעות מעבר מסה והמסה, וכך מתקבלות תפוקות גבוהות יותר בזמן מיצוי קצר יותר.
היתרונות העיקריים של מיצוי בהמסה באמצעות אולטרסאונד הם:

• תפוקה גבוהה יותר
• מיצוי בהמסה מלא יותר
• צריכת ריאגנטים מופחתת
• תנאים מתונים יותר
• בדיקת היתכנות פשוטה
• הגדלת קנה מידה ליניארית
• התקנה קלה של מערכות אולטרסאונד בקנה מידה מסחרי מלא
• מכשירי אולטרסאונד עמידים מאוד לזרמים בנפחים גדולים

מיצוי בהמסה של מתכות יקרות באמצעות אולטרסאונד: מיצוי מהיר יותר באמצעות כימיית קוויטציה

השבת מתכות יקרות כגון זהב, כסף, פלטינה, פלדיום ורודיום היא אבן יסוד במטלורגיה ובמחזור המודרניים – במיוחד בעיבוד עפרות, תרכיזים ומשאבים משניים כגון גרוטאות אלקטרוניקה וממירים קטליטיים. אף שמיצוי קונבנציונלי בהמסה הוא תהליך מבוסס היטב, הוא מוגבל לעיתים קרובות בשל מעבר מסה איטי, פסיבציה של פני השטח, שחרור לא מלא של פאזות בעלות ערך וצריכה גבוהה של ריאגנטים.
מיצוי בהמסה באמצעות אולטרסאונד נותן מענה לרבים מצווארי הבקבוק הללו באמצעות החדרת אולטרסאונד בעוצמה גבוהה לתרחיף המיצוי, ומאיץ במידה ניכרת את קינטיקת התגובה באמצעות תופעה המכונה קוויטציה אקוסטית.

המנגנון המרכזי: קוויטציה אקוסטית

כאשר אולטרסאונד רב־עוצמה מועבר לנוזל, הוא יוצר בועות קוויטציה מיקרוסקופיות הנוצרות וקורסות במהירות. קריסה זו יוצרת תנאים מקומיים קיצוניים, ובהם:

• מיקרו־ערבול עז וכוחות גזירה חזקים
• מיקרו־סילונים במהירות גבוהה המכוונים אל משטחים מוצקים
• מוקדים חמים מקומיים (טמפרטורות ולחצים גבוהים מאוד למשך מיקרו־שניות)

אף שהשפעות אלה מתרחשות בקנה מידה מיקרוסקופי, הן משפיעות בעוצמה על תהליך המיצוי בהמסה בקנה המידה המקרוסקופי, באמצעות חידוש מתמיד של פני השטח הפעילים והאצת ההובלה של ריאגנטים אל החלקיקים המוצקים ומהם.

מיצוי חומצי בהמסה המוגבר באמצעות אולטרסאונד מתרחש בקצב מהיר פי שנים־עשר ממיצוי חומצי קונבנציונלי בהמסה, הודות לפעולה המכנית המועילה של בועות קוויטציה המתפוצצות סמוך לפני השטח. תופעה זו משפרת את ערבוב תמיסת החומצה, ובכך משפרת את תכונות ההובלה.
תמונה ומחקר: © Canciani et al., 2024

מדוע אולטרסאונד משפר מיצוי בהמסה של מתכות יקרות

ברוב מערכות המיצוי בהמסה, השלב המגביל את הקצב אינו התגובה הכימית עצמה, אלא הובלת המגיבים דרך שכבות גבול, נקבוביות או שכבות פסיבציה על פני השטח. קוויטציה אולטרסונית משפרת את יעילות המיצוי בהמסה באמצעות כמה השפעות סינרגטיות:

1. מעבר מסה משופר
   אולטרסאונד מפחית את עובי שכבת הדיפוזיה הנייחת המקיפה חלקיקים מוצקים. כך מתאפשר לחומרי המיצוי בהמסה (למשל ציאניד, תיוסולפט, כלוריד, יודיד, תיואוריאה או מערכות חומציות) להגיע מהר יותר אל פני השטח המכילים מתכת, בעוד שקומפלקסים מומסים של מתכות מסולקים ביעילות רבה יותר.
2. שפעול פני השטח של החלקיקים
   מיקרו־סילונים וגלי הלם הנוצרים בקוויטציה שוחקים, מנקים ומחספסים ברציפות את פני השטח של החלקיקים. כך נחשפות פאזות מינרליות חדשות וגדל שטח הפנים הפעיל האפקטיבי – דבר חשוב במיוחד בעפרות קשות למיצוי או בחלקיקים מצופים.
3. פירוק שכבות פסיבציה
   מינרלים רבים המכילים מתכות יקרות יוצרים שכבות על פני השטח במהלך המיצוי בהמסה (למשל תחמוצות, סולפטים, גופרית יסודית או שכבות סיליקה). אולטרסאונד יכול לפרק מחסומים אלה באופן פיזי, וכך להשיב לחומר המיצוי בהמסה את הגישה לפאזה המתכתית שמתחתם.
4. חדירה משופרת למוצקים נקבוביים
   בתרכיזים, בזרזים ובחלקיקי פסולת אלקטרונית, אולטרסאונד מסייע לדחוף נוזל אל תוך נקבוביות ומיקרו־סדקים, וכך משפר את גישת הריאגנטים למתכות יקרות הכלואות בתוכם.

התפלגויות גודל החלקיקים לאחר מיצוי בהמסה באמצעות אולטרסאונד ולאחר מיצוי קונבנציונלי בהמסה
תמונה ומחקר: © Canciani et al., 2024

יישומים: מעפרות ועד כרייה עירונית

מיצוי בהמסה באמצעות אולטרסאונד נחקר יותר ויותר הן במשאבים ראשוניים והן במשאבים משניים:

• זהב וכסף
  הוכח שאולטרסאונד רב־עוצמה מאיץ מיצוי בהמסה של זהב בציאניד ובחומרי מיצוי חלופיים באמצעות שיפור ההובלה וסילוק השפעות הפסיבציה. הוא רלוונטי גם להשבת כסף מעפרות ומשאריות תעשייתיות.
• מתכות מקבוצת הפלטינה (PGMs)
  השבת פלטינה, פלדיום ורודיום – במיוחד מממירים קטליטיים משומשים – מסתמכת לעיתים קרובות על מערכות מיצוי בהמסה המבוססות על כלוריד או על מערכות חומציות. אולטרסאונד מאיץ את קינטיקת ההמסה באמצעות הגברת התגובות על פני השטח ושיפור הפירוק של מטריצות מורכבות של קרמיקה/מתכת.
• גרוטאות אלקטרוניקה
  מעגלים מודפסים ורכיבים אלקטרוניים מכילים מתכות יקרות בעלות ערך, אך מציבים מחסומי דיפוזיה משמעותיים בשל פולימרים, תחמוצות ומבנים המורכבים ממגוון חומרים. טיפול אולטרסוני משפר את אחידות המיצוי בהמסה ויכול להפחית את זמן המיצוי הנדרש.
• יסודות אדמה נדירים מאפר פחם
  אפר פחם עשוי להכיל מתכות בעלות ערך ויסודות אדמה נדירים, שלעיתים קרובות קשורים בתוך פאזות מינרליות או מטריצה אלומינו־סיליקטית זכוכיתית. טיפול אולטרסוני משפר את המגע בין חלקיקי האפר לתמיסת המיצוי בהמסה, מה שעשוי לשפר את יעילות המיצוי ולקצר את זמן המיצוי בהמסה.
  קראו עוד על מיצוי בהמסה של יסודות אדמה נדירים מאפר באמצעות אולטרסאונד!

יתרונות מרכזיים של התהליך

מנקודת מבט של הנדסת תהליכים, מיצוי בהמסה באמצעות אולטרסאונד מציע כמה יתרונות מדידים:

• זמני מיצוי בהמסה קצרים יותר הודות לקינטיקה מואצת
• תפוקות מיצוי גבוהות יותר הודות לגישה משופרת לפני השטח
• צריכת ריאגנטים נמוכה יותר במערכות רבות (נדרש עודף קטן יותר של חומר מיצוי בהמסה)
• הדירות משופרת הודות לפיזור ולערבוב טובים יותר
• אפשרות לטמפרטורת עבודה נמוכה יותר, מכיוון שאולטרסאונד מפצה על קינטיקה תרמית איטית יותר

שיקולי תהליך והגדלת קנה מידה

הצלחת המיצוי בהמסה באמצעות אולטרסאונד תלויה במידה רבה בתכנון התהליך. פרמטרים קריטיים כוללים:

• צפיפות ההספק והמשרעת של האולטרסאונד
• ריכוז התרחיף והתפלגות גודל החלקיקים
• גאומטריית הריאקטור ותנאי הזרימה
• בקרת טמפרטורה
• בחירת הכימיה של המיצוי בהמסה (חומצית, בסיסית, מבוססת כלוריד וכו׳)

חשוב לציין שיישום בקנה מידה תעשייתי מחייב ריאקטורים אולטרסוניים רבי־עוצמה מסוג גשושית, שכן אמבטיות סוניקציה בדרך כלל אינן מעבירות אנרגיה מספקת לתרחיפי מיצוי סמיכים. ניתן לשלב תאי זרימה אולטרסוניים בקו התהליך במעגלי מיצוי רציפים בהמסה, וכך לאפשר פעולה הניתנת להגדלת קנה מידה. מכשירי הסוניקציה עתירי הביצועים של Hielscher בנויים לעיבוד נפחים גדולים בתנאים תובעניים – תוך הגדלת התפוקות של המתכות המופקות במיצוי בהמסה וצמצום זמן העיבוד וההשפעה הסביבתית.

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מוכרים בזכות תקני האיכות והתכנון הגבוהים ביותר שלהם. עמידות ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של מכשירי האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO ושמה דגש מיוחד על מכשירי אולטרסאונד עתירי ביצועים, המשלבים טכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, מכשירי האולטרסאונד של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו־RoHs.

ספרות / מקורות

• 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.