Ritkaföldfémek ultrahangos kioldása hamuból
Az ultrahangos kioldás növelheti az extrakciós hozamot és lerövidítheti a feldolgozási időt a ritkaföldfémek hamuból történő kinyerése során. A hamurészecskék és a kioldószerek közötti érintkezés javításával a nagy intenzitású ultrahang felgyorsítja az oldódást, és elősegíti az értékes elemek hozzáférhetőségének növelését. A szénpernyével végzett vizsgálatok bemutatják a módszerben rejlő lehetőségeket: a kutatók 97%-os ittriumkinyerésről számoltak be, míg egy külön, galliumot és vanádiumot vizsgáló tanulmányban a savas kioldás ideje 180 percről 20 percre csökkent.
A hamu mint a ritkaföldfémek másodlagos forrása
A hamu a ritkaföldfémek (REE-k) ígéretes másodlagos forrása. A szén égetési maradékai tartalmazhatnak ittriumot és más ritkaföldfémeket, amelyeket az elektronikában, az energetikai technológiákban és a korszerű anyagokban használnak. Ezen elemek kinyerése a meglévő hamuáramokból és lerakódásokból változatosabbá tehetné a nyersanyagellátást, és hasznos alapanyaggá alakíthatná az ártalmatlanításra szánt anyagot.
A kinyerési lehetőségek az elemek koncentrációjától és hozzáférhetőségétől egyaránt függenek. A hamu tartalmazhat értékes elemeket, de kioldás közben ezeknek csak korlátozott hányadát adhatja le, ha a környező ásványi mátrix korlátozza a reagens hozzáférését. Ezért a hamu összetételét, az előkezelést és a kioldás kémiai körülményeit együttesen kell figyelembe venni. Több értékes elem kinyerése ugyanabból az alapanyagból szintén javíthatja az eljárás kilátásait.
Az ultrahangos kioldás felaprózza a hamurészecskéket, hozzáférhetővé téve a ritkaföldfémeket a kioldó reagensek számára. A részecskék és a reagens közötti anyagátadás javításával az ultrahangos kezelés növeli a kinyerést, miközben lerövidíti a feldolgozási időt!
Hielscher ultrahangos kezelőberendezések ipari telepítése: 48kW teljesítményű ultrahangos berendezéscsoport a ritkaföldfémek szénhamuból történő, folyamatos átfolyású kioldásához
Hogyan javítja az ultrahang a hamu kioldását?
A nagy intenzitású ultrahang akusztikus kavitáció révén fokozza a szilárd–folyadék extrakciót. A folyadékban mikroszkopikus buborékok képződnek és omlanak össze, helyi nyíróerőket, mikrofolyadéksugarakat és intenzív keveredést hozva létre. Ezek a hatások szétoszlathatják a részecskeagglomerátumokat, megtisztíthatják a szabad felületeket, és javíthatják a kioldószerek transzportját a reakcióképes helyekhez. Az oldott anyagok gyorsabban távoznak, ami elősegíti az oldódás fenntartását.
A hamu feldolgozása során ezek a hatások számos gyakorlati előnyt kínálnak:
- Gyorsabb kioldás: A fokozott anyagátadás lerövidítheti a hozzáférhető fémek kinyeréséhez szükséges időt.
- Nagyobb extrakciós hozam: A jobb felületi érintkezés elősegítheti a hagyományos keverés mellett elégtelenül kioldott anyag felszabadulását.
- Előkezeléssel kombinálható: Az ultrahang fokozhatja a kioldási szakaszt, miután az aktiválás hozzáférhetőbbé tette az ellenálló fázisokat.
- Rugalmas eljárásfejlesztés: Az ultrahangos kezelés kialakítható és a változó savkoncentrációhoz, szilárdanyag-terheléshez, hőmérséklethez és kezelési időhöz igazítható.
Kutatási példák: nagy hozamok és rövidebb kioldási idők
A következő tanulmányok meghatározott kísérleti körülmények között szemléltetik ezeket az előnyöket. Az ittrium ritkaföldfém; a gallium és a vanádium más értékes fémek. Kinyerésük kiegészítő bizonyítékot szolgáltat a hamu ultrahangos feldolgozásának eredményességére.
Ittrium és vanádium: akár 97%-os és 100%-os kinyerés
Masoum és munkatársai (2021) a vanádium és az ittrium szénpernyéből történő kinyerését vizsgálták kénsav, hidrogén-peroxid és ultrahang alkalmazásával. A kutatók válaszfelület-módszertant alkalmaztak a szilárd–folyadék arány, valamint a kénsav és a hidrogén-peroxid arányának optimalizálására. Az optimalizált körülmények között a közölt kinyerés a vanádium esetében elérte a 100%-ot, az ittrium esetében pedig a 97%-ot.
Egy módosított zsugorodómag-modell azt jelezte, hogy a reakciósebességet az anyagdiffúzió szabályozta. Ez az eredmény kiemeli a transzportfolyamatok fontosságát a vizsgált rendszerben, és alátámasztja, hogy az eljárás optimalizálása során célszerű az anyagátadásra összpontosítani. Az eredmények azt mutatják, hogy a kombinált kezeléssel nagy ittriumkinyerés érhető el, bár a közölt hozamok a teljes reagens- és ultrahangos rendszer együttes hatását tükrözik.
A nyers szénhamuról készült FESEM-felvételek: (a) bal oldalon, kioldás előtt; (b) ultrahangos kioldás után.
Tanulmány és képek: ©Masoum et al., 2021
Gallium és vanádium: 88,89%-kal rövidebb kioldási idő
Zhang és munkatársai (2026) a nátrium-karbonátos aktiváló pörkölést követő ultrahangos savas kioldást vizsgálták. Az optimalizált előkezelés 850°C-on, 60 percig végzett pörkölésből állt, 2:1 pernye–Na₂CO₃ tömegarány alkalmazásával. Az ezt követő ultrahangos savas kioldás 20 percen belül nagy gallium- és vanádiumkinyerést eredményezett.
| Paraméter | Ultrahangos kioldás aktiváló pörkölés után | Hagyományos kioldás |
|---|---|---|
| Kioldási idő | 20 min | 180 min |
| A gallium kioldási hatékonysága | 98,14% | 63,81% |
| A vanádium kioldási hatékonysága | 92,32% | 83,56% |
A 180 percről 20 percre történő csökkenés 88,89%-kal rövidebb kioldási szakasznak felel meg. A kinetikai elemzés megnövekedett sebességi állandókat, valamint az anyagátadás és a fázishatáron zajló reakciófolyamatok fokozódását jelezte. Ezek az eredmények bemutatják az aktiváló pörkölés és az ultrahangos kioldás kombinálásában rejlő lehetőségeket. Az időmegtakarítás a kioldásra vonatkozik; a pörkölés továbbra is további feldolgozási lépést jelent.
Az ultrahanggal fokozott savas kioldás a hagyományos savas kioldás sebességének tizenkétszeresével zajlik, a felület közelében összeomló kavitációs buborékok kedvező mechanikai hatásának köszönhetően. Ez a jelenség javítja a savoldat keveredését, ezáltal javítva a transzporttulajdonságokat.
Kép és tanulmány: © Canciani et al., 2024
2 UIP4000hdT ipari ultrahangos kezelőberendezés nagy igénybevétellel járó feldolgozáshoz
Fejlessze ki ultrahangos kioldási eljárását a ritkaföldfémek nagy arányú kinyeréséhez
A ritkaföldfémek gyakorlati kinyerése során a kioldást az oldott elemek elválasztása és tisztítása követi. A nagy kioldási hatékonyság ezért fontos köztes eredményt jelent, nem pedig a kész ritkaföldfémtermék hozamát. Az eljárás értékelésének ki kell terjednie a későbbi kinyerési lépésekre, a reagensfelhasználásra, valamint az előkezelés és az ultrahangos kezelés energiaigényére.
A Hielscher ipari kivitelű asztali ultrahangos kezelőberendezéseket és nagy igénybevételre tervezett ultrahangos átfolyó reaktorokat kínál az intenzifikált kioldási eljárások fejlesztéséhez és megvalósításához. A berendezések kiválasztása és a kísérletek révén meghatározható az adott hamuhoz megfelelő amplitúdó, szilárdanyag-terhelés, tartózkodási idő és hőmérséklet-szabályozás.
Egyszerű méretnövelés nagy térfogatokra: Az optimális kinyeréshez meghatározott paraméterek ezután lineárisan skálázhatók bármilyen üzemi kioldási térfogatra.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt laboratóriumi, kísérleti üzemi és ipari léptékű keverési, diszpergálási, emulgeálási és extrakciós alkalmazásokhoz.
A részecskékről a hagyományos (a–c) és az ultrahangos (d–f) kioldás különböző időpontjaiban készült SEM-felvételek.
Kép és tanulmány: © Canciani et al., 2024
Gyakran ismételt kérdések
Hogyan javítja az ultrahang a ritkaföldfémek hamuból történő kioldását?
Az ultrahang akusztikus kavitációt hoz létre a kioldási szuszpenzióban. Az összeomló buborékok intenzív helyi keveredést, nyíróerőket és mikrofolyadéksugarakat hoznak létre, amelyek javítják a hamurészecskék és a kioldóoldat közötti érintkezést. Ezek a hatások szabaddá teszik a reakcióképes felületeket és felgyorsítják az anyagátadást, elősegítve az extrakciós hozam növelését és a kioldási idő lerövidítését.
Milyen ritkaföldfémek és értékes fémek oldhatók ki hamuból?
Eredetüktől és ásványi összetételüktől függően a hamukból kioldással ritkaföldfémek nyerhetők ki, többek között lantán (La), cérium (Ce), neodímium (Nd), diszprózium (Dy), ittrium (Y) és szkandium (Sc). A szénpernye ezen elemek lehetséges forrása.
További értékes fémek közé tartozik a megfelelő szénhamukban található gallium (Ga) és vanádium (V), valamint a települési hulladék égetéséből származó hamukban található réz (Cu) és cink (Zn).
Miért érdemes nagy igénybevételre tervezett szondás ultrahangos kezelőberendezést használni a hamu kioldásához?
A szondás ultrahangos kezelőberendezés szonotróda (ultrahangos szonda/rúd) segítségével közvetlenül a szuszpenzióba csatolja az ultrahangos energiát. Ez lehetővé teszi a szilárd–folyadék keverékek intenzív kezelését, és szabályozható feldolgozási körülményeket biztosít. A Hielscher ipari ultrahangos kezelőberendezései beépíthetők olyan kioldási rendszerekbe, amelyekben alapvető fontosságú a szabályozott energiabevitel és a megbízható működés. A konfigurációnak illeszkednie kell a szuszpenzió összetételéhez, a szilárdanyag-terheléshez és a szükséges feldolgozási kapacitáshoz.
Íme néhány példa a Hielscher kioldási alkalmazásaira:
Működhetnek folyamatosan a Hielscher ultrahangos kezelőberendezései?
Igen. A Hielscher ipari ultrahangos kezelőberendezéseit, például a UIP500hdT (500W) modelltől a UIP16000hdT (16 000W) modellig terjedő készülékeket folyamatos, 24/7 üzemre tervezték. Konfigurálhatók szakaszos kezelésre, recirkulációra vagy ultrahangos átfolyó cellán keresztül történő folyamatos feldolgozásra. A hamu kioldásához a berendezést a szuszpenzió szivattyúzásával, a hőmérséklet-szabályozással és a kiválasztott kioldási kémiával összehangoltan építik be.
Növelhető az ultrahangos kioldás léptéke ipari termelésre?
Igen, a Hielscher ultrahangos kezelőberendezései lehetővé teszik a lineáris méretnövelést. A Hielscher laboratóriumi kísérletekhez, kísérleti üzemi feldolgozáshoz és ipari termeléshez kínál berendezéseket, többek között csoportokba kapcsolható 16 kW teljesítményű kezelőegységeket. A méretnövelés kísérletekkel kezdődik a megfelelő amplitúdó, energiabevitel, hőmérséklet és tartózkodási idő meghatározására. Ezek az eredmények alapot adnak a reaktorkapacitás kiválasztásához és a kinyerési teljesítmény igazolásához a szükséges feldolgozási kapacitás mellett.
Helyettesíti az ultrahang a savakat vagy az aktiváló pörkölést?
Az ultrahang intenzívebbé teszi a kioldási folyamatot, míg a kémiai reagensek biztosítják a célelemek feloldásához szükséges kémiai hatást. Egyes hamuknál előkezelésre is szükség lehet az ellenálló ásványi fázisok hozzáférhetővé tételéhez.
Mely folyamatparaméterek figyelhetők meg?
A 200 wattos és nagyobb teljesítményű Hielscher ultrahangos kezelőberendezések mindegyike támogatja az amplitúdó, a teljesítmény, a kezelési idő és a hőmérséklet megfigyelését és automatikus rögzítését; a nyomásmérés opcionális érzékelővel érhető el. Ezek az adatok segítenek a kísérletek összehasonlításában és az üzemi körülmények megbízható reprodukálásában. A ritkaföldfémek kinyerési hatékonyságát külön kell meghatározni a betáplált anyag, a kioldási oldat és a visszamaradó szilárd anyagok kémiai elemzésével.
Használhatók ultrahangos berendezések savas, abrazív hamuszuszpenziókkal?
A Hielscher Ultrasonics megoldásokat kínál savas, abrazív hamuszuszpenziók ultrahangos kezelésére. A szonotródákat, az átfolyó cellákat, a tömítéseket és az egyéb, közeggel érintkező alkatrészeket a sav összetétele, koncentrációja, a hőmérséklet és a részecskék abrazív hatása alapján kell kiválasztani.
Nagyobb végső ritkaföldfém-kinyerést jelent a nagyobb kioldási hatékonyság?
Igen, a nagyobb kioldási hatékonyság azt jelenti, hogy a célelemből több kerül a folyadékfázisba. A felhasználható ritkaföldfémtermék előállításához további elválasztás és tisztítás is szükséges. A teljes kinyerés a teljes eljárás teljesítményétől függ.
Hogyan válasszak Hielscher ultrahangos kezelőberendezést az eljárásomhoz?
Kezdje reprezentatív hamumintákkal, és határozza meg a célelemeket, a szuszpenzió koncentrációját, a kioldás kémiai körülményeit, a tételtérfogatot vagy a térfogatáramot, valamint a kívánt extrakciós hozamot. A Hielscher munkatársaiként segíthetünk kiválasztani a megvalósíthatósági kísérletekhez és az azt követő lineáris méretnöveléshez szükséges berendezéseket. Műszaki központunk és eljárástechnikai laboratóriumunk szintén kínál kísérleteket a berendezésválasztás támogatására.
Szakirodalom / Hivatkozások
- 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.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt a laboratóriumi mérettől az ipari méretig.