Ultrazvučno izluživanje plemenitih metala

Ultrazvuk velike snage učinkovita je tehnika za ekstrakciju metala poput plemenitih metala i rijetkih zemnih elemenata. Ovaj postupak ultrazvučno potpomognute ekstrakcije čvrsto–tekuće poznat je kao sonoizluživanje, izluživanje ili ispiranje. Robusni industrijski ultrazvučni uređaji mogu se jednostavno instalirati za izluživanje rijetkih zemnih elemenata iz ruda, obradu rudarskih suspenzija radi potpunijeg izdvajanja ili odvajanje metala visoke vrijednosti (npr. Cu, Zn, Ni) od manje vrijednih metala.

Ultrazvučno izluživanje pospješuje reakciju prijenosom tvari i otapanjem, čime se postižu veći prinosi uz kraće vrijeme ekstrakcije.
Glavne prednosti ultrazvučnog izluživanja su:

• veći prinos
• potpunije izluživanje
• smanjena potrošnja reagensa
• blaži uvjeti
• jednostavno ispitivanje izvedivosti
• linearno povećanje mjerila procesa
• jednostavna instalacija ultrazvučnih sustava punog komercijalnog kapaciteta
• vrlo robusni ultrazvučni uređaji za tokove velikog volumena

Ultrazvučno izluživanje plemenitih metala: brža ekstrakcija zahvaljujući kavitacijskoj kemiji

Izdvajanje plemenitih metala poput zlata, srebra, platine, paladija i rodija temelj je suvremene metalurgije i recikliranja – osobito pri preradi ruda, koncentrata i sekundarnih sirovina poput elektroničkog otpada i katalitičkih pretvornika. Iako je konvencionalno izluživanje dobro uhodano, često ga ograničavaju spor prijenos tvari, pasivacija površine, nepotpuno oslobađanje vrijednih faza i velika potrošnja reagensa.
Ultrazvučno izluživanje rješava mnoga od tih ograničenja uvođenjem ultrazvuka visokog intenziteta u suspenziju za izluživanje, čime se izrazito intenzivira kinetika reakcije putem pojave poznate kao akustična kavitacija.

Temeljni mehanizam: akustična kavitacija

Kada se ultrazvuk velike snage prenosi u tekućinu, nastaju mikroskopski kavitacijski mjehurići koji se brzo stvaraju i urušavaju. To urušavanje stvara ekstremne lokalne uvjete, uključujući:

• intenzivno mikromiješanje i smične sile
• mikromlazove velike brzine usmjerene prema čvrstim površinama
• lokalizirane vruće točke (vrlo visoke temperature i tlakovi tijekom mikrosekundi)

Iako se ti učinci javljaju na mikroskopskoj razini, snažno utječu na makroskopski proces izluživanja neprestanim obnavljanjem reaktivne površine i ubrzavanjem prijenosa reagensa prema čvrstim česticama i od njih.

Ultrazvučno pospješeno kiselinsko izluživanje odvija se dvanaest puta brže od konvencionalnog kiselinskog izluživanja zahvaljujući povoljnom mehaničkom djelovanju kavitacijskih mjehurića koji pucaju blizu površine. Ta pojava poboljšava miješanje kiselinske otopine, čime poboljšava svojstva prijenosa.
Slika i istraživanje: © Canciani et al., 2024

Zašto ultrazvuk poboljšava izluživanje plemenitih metala

U većini sustava za izluživanje korak koji ograničava brzinu nije sama kemijska reakcija, nego prijenos reaktanata kroz granične slojeve, pore ili pasivirajuće površinske filmove. Ultrazvučna kavitacija poboljšava učinkovitost izluživanja kroz nekoliko sinergijskih učinaka:

1. Poboljšan prijenos tvari
   Ultrazvuk smanjuje debljinu mirujućeg difuzijskog sloja koji okružuje čvrste čestice. Time se sredstvima za izluživanje (npr. cijanidu, tiosulfatu, kloridu, jodidu, tioureji ili kiselinskim sustavima) omogućuje brže dopiranje do površine koja sadrži metal, dok se otopljeni metalni kompleksi učinkovitije uklanjaju.
2. Aktivacija površine čestica
   Kavitacijski mikromlazovi i udarni valovi neprestano erodiraju, čiste i ohrapavljuju površine čestica. Time se izlažu svježe mineralne faze i povećava efektivna reaktivna površina – što je osobito važno kod teško preradivih ruda ili čestica s prevlakom.
3. Razaranje pasivacijskih slojeva
   Mnogi minerali koji sadrže plemenite metale tijekom izluživanja stvaraju površinske slojeve (npr. okside, sulfate, elementarni sumpor ili filmove silicijeva dioksida). Ultrazvuk može fizički razoriti te prepreke i ponovno omogućiti pristup sredstva za izluživanje metalnoj fazi ispod njih.
4. Poboljšano prodiranje u porozne čvrste tvari
   Kod koncentrata, katalizatora i čestica elektroničkog otpada ultrazvuk pomaže potiskivanju tekućine u pore i mikropukotine, čime poboljšava pristup reagensa plemenitim metalima ugrađenima u njih.

Raspodjele veličina čestica nakon ultrazvučnog i konvencionalnog izluživanja
Slika i istraživanje: © Canciani et al., 2024

Primjene: od ruda do urbanog rudarenja

Ultrazvučno izluživanje sve se više istražuje za primarne i sekundarne sirovine:

• Zlato i srebro
  Pokazalo se da ultrazvuk velike snage ubrzava izluživanje zlata u cijanidnim i alternativnim sredstvima za izluživanje poboljšavanjem prijenosa i uklanjanjem učinaka pasivacije. Važan je i za izdvajanje srebra iz ruda i industrijskih ostataka.
• Metali platinske skupine (PGM)
  Izdvajanje platine, paladija i rodija – osobito iz istrošenih katalitičkih pretvornika – često se temelji na kloridnim ili kiselinskim sustavima za izluživanje. Ultrazvuk poboljšava kinetiku otapanja intenziviranjem površinskih reakcija i poboljšavanjem razgradnje složenih keramičkih/metalnih matrica.
• Elektronički otpad
  Tiskane pločice i elektroničke komponente sadrže vrijedne plemenite metale, ali zbog polimera, oksida i struktura sastavljenih od više materijala predstavljaju velike prepreke difuziji. Ultrazvučna obrada poboljšava ujednačenost izluživanja i može skratiti potrebno vrijeme izluživanja.
• Rijetki zemni elementi iz pepela ugljena
  Pepeo ugljena može sadržavati vrijedne metale i rijetke zemne elemente, često vezane unutar mineralnih faza ili staklaste aluminosilikatne matrice. Ultrazvučna obrada poboljšava kontakt između čestica pepela i otopine za izluživanje, što može povećati učinkovitost ekstrakcije i skratiti vrijeme izluživanja.
  Pročitajte više o ultrazvučnom izluživanju rijetkih zemnih elemenata iz pepela!

Ključne prednosti procesa

Iz perspektive procesnog inženjerstva ultrazvučno izluživanje nudi nekoliko mjerljivih prednosti:

• kraće vrijeme izluživanja zahvaljujući ubrzanoj kinetici
• veći prinosi ekstrakcije zbog poboljšanog pristupa površini
• manja potrošnja reagensa u mnogim sustavima (potreban je manji suvišak sredstva za izluživanje)
• poboljšana ponovljivost zahvaljujući boljem dispergiranju i miješanju
• potencijalno niža radna temperatura jer ultrazvuk nadoknađuje sporiju toplinsku kinetiku

Procesna razmatranja i povećanje mjerila

Uspješno ultrazvučno izluživanje uvelike ovisi o projektiranju procesa. Ključni parametri uključuju:

• gustoću snage ultrazvuka i amplitudu
• koncentraciju suspenzije i raspodjelu veličina čestica
• geometriju reaktora i uvjete strujanja
• regulaciju temperature
• odabir kemijskog sustava za izluživanje (kiselinski, lužnati, kloridni itd.)

Važno je naglasiti da primjena u industrijskom mjerilu zahtijeva ultrazvučne reaktore velike snage sa sondom jer ultrazvučne kupelji obično ne prenose dovoljno energije u guste suspenzije za izluživanje. Ultrazvučne protočne ćelije mogu se integrirati u kontinuirane krugove izluživanja, čime se omogućuje rad s mogućnošću povećanja mjerila. Hielscher sonikatori visokih performansi konstruirani su za obradu velikih volumena u zahtjevnim uvjetima – povećavaju prinose izluženih metala uz istodobno skraćivanje vremena obrade i smanjenje utjecaja na okoliš.

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišim standardima kvalitete i projektiranja. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnom uporabom. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji usklađeni su s CE zahtjevima i zadovoljavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Literatura / reference

• 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.