राख से दुर्लभ मृदा तत्वों का अल्ट्रासोनिक निक्षालन

राख से दुर्लभ मृदा तत्वों की पुनर्प्राप्ति के दौरान अल्ट्रासोनिक निक्षालन निष्कर्षण की प्राप्ति बढ़ा सकता है और प्रसंस्करण का समय कम कर सकता है। राख के कणों और निक्षालन अभिकर्मकों के बीच संपर्क बेहतर बनाकर, उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड घुलने की प्रक्रिया को तेज करता है और मूल्यवान तत्वों को अधिक सुलभ बनाने में मदद करता है। कोयले की उड़न राख पर किए गए अध्ययन इसकी संभावनाओं को दर्शाते हैं: शोधकर्ताओं ने यट्रियम के 97% निष्कर्षण की सूचना दी, जबकि गैलियम और वैनेडियम पर किए गए एक अलग अध्ययन में अम्लीय निक्षालन का समय 180 से घटकर 20 मिनट हो गया।

दुर्लभ मृदा तत्वों के द्वितीयक संसाधन के रूप में राख

राख दुर्लभ मृदा तत्वों (REEs) के लिए एक आशाजनक द्वितीयक संसाधन है। कोयले के दहन से बचे अवशेषों में यट्रियम और अन्य दुर्लभ मृदा तत्व हो सकते हैं, जिनका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक्स, ऊर्जा प्रौद्योगिकियों और उन्नत सामग्रियों में होता है। राख की मौजूदा धाराओं और जमावों से इन तत्वों की पुनर्प्राप्ति कच्चे माल की आपूर्ति में विविधता ला सकती है और निपटान के लिए निर्धारित सामग्री को उपयोगी फीडस्टॉक में बदल सकती है।
निष्कर्षण की संभावना तत्वों की सांद्रता और उनकी सुलभता, दोनों पर निर्भर करती है। राख में मूल्यवान तत्व मौजूद हो सकते हैं, फिर भी यदि आसपास का खनिज मैट्रिक्स अभिकर्मक की पहुँच सीमित करता है, तो निक्षालन के दौरान उनका केवल सीमित अंश ही मुक्त हो सकता है। इसलिए राख की संरचना, पूर्वोपचार और निक्षालन के रसायन को एक साथ ध्यान में रखना आवश्यक है। एक ही फीडस्टॉक से कई मूल्यवान तत्वों की पुनर्प्राप्ति किसी प्रक्रिया की संभावनाओं को भी बेहतर बना सकती है।
अल्ट्रासोनिक निक्षालन राख के कणों को खंडित करता है, जिससे दुर्लभ मृदा तत्व निक्षालन अभिकर्मकों के लिए सुलभ हो जाते हैं। कणों और अभिकर्मक के बीच द्रव्यमान स्थानांतरण बेहतर बनाकर, सोनिकेशन पुनर्प्राप्ति बढ़ाता है और साथ ही प्रसंस्करण का समय कम करता है!

अल्ट्रासाउंड राख के निक्षालन को कैसे बेहतर बनाता है

उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड ध्वनिक कैविटेशन के माध्यम से ठोस–द्रव निष्कर्षण को तीव्र करता है। द्रव में सूक्ष्म बुलबुले बनते हैं और ढहते हैं, जिससे स्थानीय अपरूपण बल, सूक्ष्म जेट और तीव्र मिश्रण उत्पन्न होते हैं। ये प्रभाव कणों के समुच्चयों को बिखेर सकते हैं, अनावृत सतहों को साफ कर सकते हैं और अभिक्रियाशील स्थलों तक निक्षालन अभिकर्मकों के परिवहन को बेहतर बना सकते हैं। घुली हुई प्रजातियाँ अधिक तेजी से दूर पहुँचाई जाती हैं, जिससे घुलने की प्रक्रिया को जारी रखने में मदद मिलती है।

राख के प्रसंस्करण में ये प्रभाव कई व्यावहारिक लाभ प्रदान करते हैं:

• अधिक तेज निक्षालन: बेहतर द्रव्यमान स्थानांतरण सुलभ धातुओं के निष्कर्षण के लिए आवश्यक समय को कम कर सकता है।
• अधिक निष्कर्षण प्राप्ति: सतह के साथ बेहतर संपर्क उस सामग्री को मुक्त करने में मदद कर सकता है जिसका पारंपरिक मिश्रण के दौरान पर्याप्त निक्षालन नहीं हो पाता।
• पूर्वोपचार के साथ संयोजन: सक्रियण द्वारा प्रतिरोधी प्रावस्थाओं को अधिक सुलभ बना दिए जाने के बाद, अल्ट्रासाउंड निक्षालन चरण को तीव्र कर सकता है।
• लचीला प्रक्रिया विकास: सोनिकेशन को अम्ल की सांद्रता, ठोस पदार्थों की मात्रा, तापमान और उपचार समय में भिन्नताओं के अनुरूप विकसित और अनुकूलित किया जा सकता है।

अनुसंधान के उदाहरण: उच्च प्राप्ति और कम निक्षालन समय

निम्नलिखित अध्ययन विशिष्ट प्रायोगिक परिस्थितियों में इन लाभों को दर्शाते हैं। यट्रियम एक दुर्लभ मृदा तत्व है; गैलियम और वैनेडियम अन्य मूल्यवान धातुएँ हैं। इनका निष्कर्षण राख के अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण के समर्थन में पूरक साक्ष्य प्रदान करता है।

यट्रियम और वैनेडियम: 97% और 100% तक निष्कर्षण

Masoum et al. (2021) ने सल्फ्यूरिक अम्ल, हाइड्रोजन पेरॉक्साइड और अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके कोयले की उड़न राख से वैनेडियम और इट्रियम के निष्कर्षण की जाँच की। शोधकर्ताओं ने ठोस और द्रव के अनुपात तथा सल्फ्यूरिक अम्ल और हाइड्रोजन पेरॉक्साइड के अनुपातों को अनुकूलित करने के लिए प्रतिक्रिया सतह पद्धति का उपयोग किया। अनुकूलित परिस्थितियों में, रिपोर्ट किया गया निष्कर्षण वैनेडियम के लिए 100% और इट्रियम के लिए 97% तक पहुँचा।
एक संशोधित संकुचित क्रोड मॉडल ने संकेत दिया कि द्रव्यमान विसरण ने अभिक्रिया दर को नियंत्रित किया। यह निष्कर्ष अध्ययन की गई प्रणाली में परिवहन प्रक्रियाओं के महत्व को रेखांकित करता है और प्रक्रिया अनुकूलन के दौरान द्रव्यमान अंतरण पर ध्यान केंद्रित करने का समर्थन करता है। परिणाम दर्शाते हैं कि संयुक्त उपचार से इट्रियम का उच्च निष्कर्षण प्राप्त किया जा सकता है, हालाँकि रिपोर्ट की गई प्राप्तियाँ अभिकर्मकों और अल्ट्रासाउंड की संपूर्ण प्रणाली के परिणामों को दर्शाती हैं।

कोयले की कच्ची राख के FESEM चित्र: (a) बाईं ओर, निक्षालन से पहले की कोयले की राख, (b) अल्ट्रासोनिक निक्षालन के बाद।
अध्ययन और चित्र: ©Masoum et al., 2021

गैलियम और वैनेडियम: निक्षालन समय में 88.89% की कमी

Zhang et al. (2026) ने सोडियम कार्बोनेट से सक्रियण भर्जन के बाद अल्ट्रासोनिक अम्ल निक्षालन की जाँच की। अनुकूलित पूर्वोपचार में उड़न राख और Na₂CO₃ के 2:1 द्रव्यमान अनुपात का उपयोग करते हुए 850°C पर 60 मिनट तक भर्जन किया गया। इसके बाद अल्ट्रासोनिक अम्ल निक्षालन से 20 मिनट के भीतर गैलियम और वैनेडियम का उच्च निष्कर्षण प्राप्त हुआ।

180 से 20 मिनट की कमी निक्षालन चरण के समय में 88.89% की कमी के बराबर है। गतिकीय विश्लेषण ने दर स्थिरांकों में वृद्धि तथा द्रव्यमान अंतरण और अंतरापृष्ठीय अभिक्रिया प्रक्रियाओं, दोनों में सुधार का संकेत दिया। ये परिणाम सक्रियण भर्जन को अल्ट्रासोनिक निक्षालन के साथ संयोजित करने की क्षमता दर्शाते हैं। समय की यह बचत निक्षालन पर लागू होती है; भर्जन एक अतिरिक्त प्रसंस्करण चरण बना रहता है।

सतह के पास कैविटेशन बुलबुलों के फूटने की लाभकारी यांत्रिक क्रिया के कारण, अल्ट्रासाउंड द्वारा संवर्धित अम्ल निक्षालन पारंपरिक अम्ल निक्षालन की दर से बारह गुनी दर पर होता है। यह परिघटना अम्ल विलयन के मिश्रण में सुधार करती है, जिससे परिवहन गुण बेहतर होते हैं।
चित्र और अध्ययन: © Canciani et al., 2024

दुर्लभ मृदा तत्वों की उच्च पुनर्प्राप्ति के लिए अपनी अल्ट्रासोनिक निक्षालन प्रक्रिया विकसित करें

व्यावहारिक दुर्लभ मृदा निष्कर्षण में, निक्षालन के बाद घुले हुए तत्वों का पृथक्करण और शुद्धिकरण किया जाता है। इसलिए उच्च निक्षालन दक्षता एक महत्वपूर्ण मध्यवर्ती परिणाम दर्शाती है, तैयार दुर्लभ मृदा उत्पाद की प्राप्ति नहीं। प्रक्रिया मूल्यांकन में बाद के चरणों में पुनर्प्राप्ति, अभिकर्मकों के उपयोग तथा पूर्वोपचार और सोनिकेशन, दोनों के लिए आवश्यक ऊर्जा को शामिल करना चाहिए।
Hielscher संवर्धित निक्षालन प्रक्रियाओं को विकसित और कार्यान्वित करने के लिए औद्योगिक श्रेणी के बेंच-टॉप सोनिकेटर और गहन उपयोग के लिए अल्ट्रासोनिक प्रवाह रिएक्टर प्रदान करता है। उपकरण चयन और परीक्षणों से किसी विशिष्ट राख के लिए उपयुक्त आयाम, ठोस पदार्थों की मात्रा, निवास समय और तापमान नियंत्रण निर्धारित किए जा सकते हैं।
बड़े आयतनों तक सरल विस्तार: इष्टतम पुनर्प्राप्ति के लिए प्राचल एक बार स्थापित हो जाने पर, उन्हें किसी भी व्यावसायिक निक्षालन आयतन तक रैखिक रूप से विस्तारित किया जा सकता है।

पारंपरिक (a–c) और अल्ट्रासोनिक (d–f) निक्षालन के अलग-अलग समयों पर कणों के SEM चित्र।
चित्र और अध्ययन: © Canciani et al., 2024

साहित्य / संदर्भ

• 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.