Ultrazvučno izluživanje elemenata rijetkih zemalja iz pepela
Ultrazvučno izluživanje može povećati prinose ekstrakcije i skratiti vrijeme obrade pri izdvajanju elemenata rijetkih zemalja iz pepela. Poboljšanjem kontakta između čestica pepela i sredstava za izluživanje ultrazvuk velike snage ubrzava otapanje i pomaže povećati dostupnost vrijednih elemenata. Istraživanja letećeg pepela ugljena pokazuju taj potencijal: istraživači su izvijestili o ekstrakciji 97% itrija, dok je zasebno istraživanje galija i vanadija skratilo vrijeme kiselinskog izluživanja sa 180 na 20 minuta.
Pepeo kao sekundarni izvor elemenata rijetkih zemalja
Pepeo predstavlja obećavajući sekundarni izvor elemenata rijetkih zemalja (REE). Ostaci izgaranja ugljena mogu sadržavati itrij i druge elemente rijetkih zemalja koji se upotrebljavaju u elektronici, energetskim tehnologijama i naprednim materijalima. Izdvajanje tih elemenata iz postojećih tokova i naslaga pepela moglo bi diversificirati opskrbu sirovinama i pretvoriti materijal namijenjen odlaganju u korisnu sirovinu.
Potencijal ekstrakcije ovisi i o koncentraciji elemenata i o njihovoj dostupnosti. Pepeo može sadržavati vrijedne elemente, a ipak tijekom izluživanja otpuštati samo ograničen udio ako okolna mineralna matrica ograničava pristup reagensima. Stoga se sastav pepela, predobrada i kemijski uvjeti izluživanja moraju razmatrati zajedno. Izdvajanje nekoliko vrijednih elemenata iz iste sirovine također može poboljšati izglede za uspjeh procesa.
Ultrazvučno izluživanje usitnjava čestice pepela i čini elemente rijetkih zemalja dostupnima reagensima za izluživanje. Poboljšanjem prijenosa tvari između čestica i reagensa sonikacija povećava iskorištenje uz istodobno skraćivanje vremena obrade!
Industrijsko postrojenje s Hielscher sonikatorima: skupina sonikatora snage 48kW za izluživanje elemenata rijetkih zemalja iz pepela ugljena u protočnom sustavu
Kako ultrazvuk poboljšava izluživanje pepela
Ultrazvuk velike snage intenzivira ekstrakciju kruto–tekuće akustičnom kavitacijom. U tekućini nastaju i kolabiraju mikroskopski mjehurići, stvarajući lokalne smične sile, mikromlazove i intenzivno miješanje. Ti učinci mogu raspršiti aglomerate čestica, očistiti izložene površine i poboljšati transport sredstava za izluživanje do reaktivnih mjesta. Otopljene kemijske vrste brže se odvode, čime se pomaže održavanju otapanja.
Pri obradi pepela ti učinci nude nekoliko praktičnih prednosti:
- Brže izluživanje: Poboljšani prijenos tvari može skratiti vrijeme potrebno za ekstrakciju dostupnih metala.
- Veći prinosi ekstrakcije: Poboljšani kontakt s površinom može pomoći pri oslobađanju materijala koji ostaje nedovoljno izlužen pri konvencionalnom miješanju.
- Kombinacija s predobradom: Ultrazvuk može intenzivirati fazu izluživanja nakon što je aktivacija učinila otporne faze dostupnijima.
- Fleksibilan razvoj procesa: Sonikacija se može razvijati i prilagođavati različitim koncentracijama kiseline, udjelima krute tvari, temperaturama i vremenima obrade.
Primjeri istraživanja: visoki prinosi i kraće vrijeme izluživanja
Sljedeća istraživanja ilustriraju te prednosti u određenim eksperimentalnim uvjetima. Itrij je element rijetkih zemalja; galij i vanadij drugi su vrijedni metali. Njihova ekstrakcija pruža dodatne dokaze u prilog ultrazvučnoj obradi pepela.
Itrij i vanadij: ekstrakcija do 97% i 100%
Masoum i sur. (2021) istraživali su ekstrakciju vanadija i itrija iz lebdećeg pepela od izgaranja ugljena primjenom sumporne kiseline, vodikova peroksida i ultrazvuka. Istraživači su primijenili metodologiju odzivnih površina kako bi optimirali omjer krute i tekuće faze te udjele sumporne kiseline i vodikova peroksida. U optimiranim uvjetima zabilježena ekstrakcija dosegnula je 100% za vanadij i 97% za itrij.
Modificirani model skupljajuće jezgre pokazao je da je difuzija tvari određivala brzinu reakcije. Taj nalaz ističe važnost transportnih procesa u istraživanom sustavu i podupire usmjeravanje na prijenos tvari pri optimiranju procesa. Rezultati pokazuju da je kombiniranom obradom moguće postići visok stupanj ekstrakcije itrija, iako zabilježeni prinosi odražavaju djelovanje cjelokupnog sustava reagensa i ultrazvuka.
FESEM snimke sirovog pepela od izgaranja ugljena: (a) lijevo, prije izluživanja pepela, (b) nakon ultrazvučnog izluživanja.
Istraživanje i snimke: ©Masoum et al., 2021
Galij i vanadij: 88,89% kraće vrijeme izluživanja
Zhang i sur. (2026) istraživali su ultrazvučno kiselinsko izluživanje nakon aktivacijskog prženja s natrijevim karbonatom. Optimirana predobrada sastojala se od prženja pri 850°C tijekom 60 minuta, uz maseni omjer lebdećeg pepela i Na₂CO₃ od 2:1. Naknadnim ultrazvučnim kiselinskim izluživanjem postignut je visok stupanj ekstrakcije galija i vanadija unutar 20 minuta.
| Parametar | Ultrazvučno izluživanje nakon aktivacijskog prženja | Konvencionalno izluživanje |
|---|---|---|
| Vrijeme izluživanja | 20 min | 180 min |
| Učinkovitost izluživanja galija | 98,14% | 63,81% |
| Učinkovitost izluživanja vanadija | 92,32% | 83,56% |
Smanjenje sa 180 na 20 minuta odgovara 88,89% kraćoj fazi izluživanja. Kinetička analiza pokazala je povećanje konstanti brzine te poboljšanje prijenosa tvari i reakcijskih procesa na granici faza. Ti rezultati pokazuju potencijal kombiniranja aktivacijskog prženja s ultrazvučnim izluživanjem. Ušteda vremena odnosi se na izluživanje; prženje ostaje dodatni korak obrade.
Ultrazvučno potpomognuto kiselinsko izluživanje odvija se brzinom dvanaest puta većom od brzine konvencionalnog kiselinskog izluživanja zahvaljujući povoljnom mehaničkom djelovanju kavitacijskih mjehurića koji pucaju u blizini površine. Ta pojava poboljšava miješanje kisele otopine, čime se poboljšavaju transportna svojstva.
Slika i istraživanje: © Canciani et al., 2024
2 industrijska sonikatora UIP4000hdT za obradu u zahtjevnim uvjetima
Razvijte svoj postupak ultrazvučnog izluživanja za visok stupanj izdvajanja rijetkih zemalja
Pri praktičnoj ekstrakciji rijetkih zemalja nakon izluživanja slijede odvajanje i pročišćavanje otopljenih elemenata. Visoka učinkovitost izluživanja stoga predstavlja važan međurezultat, a ne prinos gotovog proizvoda rijetkih zemalja. Procjena procesa trebala bi uključivati izdvajanje u daljnjim koracima, potrošnju reagensa i energiju potrebnu za predobradu i sonikaciju.
Hielscher nudi stolne sonikatore industrijske kvalitete i ultrazvučne protočne reaktore za zahtjevne uvjete rada radi razvoja i provedbe intenziviranih postupaka izluživanja. Odabirom opreme i ispitivanjima mogu se utvrditi odgovarajuća amplituda, udio krute tvari, vrijeme zadržavanja i regulacija temperature za određeni pepeo.
Jednostavno povećanje mjerila na velike volumene: Nakon što se utvrde parametri za optimalno izdvajanje, moguće ih je linearno skalirati na bilo koji komercijalni volumen izluživanja.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskom, pilotnom i industrijskom mjerilu.
SEM snimke čestica u različitim trenucima konvencionalnog (a–c) i ultrazvučnog (d–f) izluživanja.
Slika i istraživanje: © Canciani et al., 2024
Često postavljana pitanja
Kako ultrazvuk poboljšava izluživanje rijetkih zemalja iz pepela?
Ultrazvuk stvara akustičnu kavitaciju u suspenziji za izluživanje. Kolaps mjehurića uzrokuje intenzivno lokalno miješanje, smične sile i mikromlazove koji poboljšavaju kontakt između čestica pepela i otopine za izluživanje. Ti učinci otkrivaju reaktivne površine i ubrzavaju prijenos tvari, čime pridonose povećanju prinosa ekstrakcije i skraćenju vremena izluživanja.
Koji se elementi rijetkih zemalja i vrijedni metali mogu izlužiti iz pepela?
Ovisno o podrijetlu i mineralnom sastavu, pepeli se mogu izluživati radi ekstrakcije elemenata rijetkih zemalja, uključujući lantan (La), cerij (Ce), neodimij (Nd), disprozij (Dy), itrij (Y) i skandij (Sc). Leteći pepeo nastao izgaranjem ugljena potencijalan je izvor tih elemenata.
Ostali vrijedni metali uključuju galij (Ga) i vanadij (V) u odgovarajućim pepelima ugljena te bakar (Cu) i cink (Zn) u pepelima nastalim spaljivanjem komunalnog otpada.
Zašto za izluživanje pepela upotrebljavati sonikator sa sondom namijenjen zahtjevnim primjenama?
Sonikator sa sondom uvodi ultrazvučnu energiju izravno u suspenziju putem sonotrode (ultrazvučne sonde/šipke). Time se omogućuje intenzivna obrada smjesa čvrste i tekuće faze te prilagodba uvjeta obrade. Industrijska oprema za sonikaciju Hielscher omogućuje integraciju u sustave za izluživanje u kojima su kontrolirani unos energije i pouzdan rad ključni. Konfiguracija treba odgovarati sastavu suspenzije, udjelu krutih tvari i potrebnom kapacitetu obrade.
Evo nekoliko primjena opreme Hielscher za izluživanje:
Mogu li sonikatori Hielscher raditi kontinuirano?
Da. Industrijski sonikatori Hielscher, poput modela od UIP500hdT (500W) do UIP16000hdT (16.000W), projektirani su za kontinuirani rad 24/7. Mogu se konfigurirati za šaržnu obradu, recirkulaciju ili kontinuiranu obradu kroz ultrazvučnu protočnu ćeliju. Pri izluživanju pepela postrojenje se integrira sa sustavima za pumpanje suspenzije i regulaciju temperature te s odabranim kemijskim postupkom izluživanja.
Može li se ultrazvučno izluživanje povećati na razinu industrijske proizvodnje?
Da, sonikatori Hielscher omogućuju linearno povećanje mjerila procesa. Hielscher nudi opremu za laboratorijska ispitivanja, pilot-obradu i industrijsku proizvodnju, uključujući procesore snage 16 kW koji se mogu kombinirati u skupine. Povećanje mjerila započinje ispitivanjima radi utvrđivanja odgovarajuće amplitude, unosa energije, temperature i vremena zadržavanja. Ti rezultati pružaju osnovu za odabir kapaciteta reaktora i provjeru učinkovitosti ekstrakcije pri potrebnom kapacitetu obrade.
Zamjenjuje li ultrazvuk kiseline ili aktivacijsko prženje?
Ultrazvuk intenzivira proces izluživanja, dok kemijski reagensi osiguravaju kemijske uvjete potrebne za otapanje ciljnih elemenata. Nekim pepelima može biti potrebna i predobrada kako bi otporne mineralne faze postale dostupne.
Koji se procesni parametri mogu pratiti?
Svi sonikatori Hielscher snage od 200 vata naviše podržavaju praćenje i automatsko bilježenje amplitude, snage, vremena obrade i temperature, a mjerenje tlaka dostupno je putem dodatnog senzora. Ti podaci pomažu pri usporedbi ispitivanja i pouzdanom ponavljanju radnih uvjeta. Učinkovitost ekstrakcije elemenata rijetkih zemalja mora se odrediti zasebno kemijskom analizom ulazne sirovine, otopine dobivene izluživanjem i preostalih krutih tvari.
Može li se ultrazvučna oprema upotrebljavati s kiselim, abrazivnim suspenzijama pepela?
Hielscher Ultrasonics nudi rješenja za sonikaciju kiselih, abrazivnih suspenzija pepela. Sonotrode, protočne ćelije, brtve i ostale komponente u dodiru s medijem potrebno je odabrati prema sastavu i koncentraciji kiseline, temperaturi i abrazivnosti čestica.
Znači li veća učinkovitost izluživanja veće konačno iskorištenje rijetkih zemalja?
Da, veća učinkovitost izluživanja znači da se više ciljnog elementa prenosi u tekuću fazu. Proizvodnja upotrebljivog proizvoda rijetkih zemalja zahtijeva i naknadno odvajanje i pročišćavanje. Ukupno iskorištenje ovisi o učinkovitosti cjelokupnog procesa.
Kako odabrati sonikator Hielscher za svoj proces?
Započnite s reprezentativnim uzorcima pepela i definirajte ciljne elemente, koncentraciju suspenzije, kemijski postupak izluživanja, volumen šarže ili protok te željeni prinos ekstrakcije. Mi u tvrtki Hielscher možemo vam pomoći pri odabiru opreme za ispitivanja izvedivosti i naknadno linearno povećanje mjerila procesa. Naš tehnički centar i procesni laboratorij također nude ispitivanja kao podršku pri odabiru opreme.
Literatura / Reference
- 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 proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi u rasponu od laboratorijskih do industrijskih veličina.