Nemesfémek ultrahangos kilúgozása

A nagy teljesítményű ultrahang hatékony módszer fémek, például nemesfémek és ritkaföldfémek kinyerésére. Az ultrahanggal segített szilárd–folyadék extrakció e folyamatát ultrahangos kilúgozásnak, lixiviálásnak vagy mosásnak nevezik. A robusztus ipari ultrahangos készülékek könnyen telepíthetők ritkaföldfémek ércekből történő kilúgozására, bányászati zagyok kezelésére a teljesebb visszanyerés érdekében, vagy nagy értékű fémek (pl. Cu, Zn, Ni) kevésbé értékes fémektől történő elválasztására.

Az ultrahangos kilúgozás az anyagátadás és az oldódás révén elősegíti a reakciót, így rövidebb extrakciós idő alatt nagyobb kihozatal érhető el.
Az ultrahangos kilúgozás fő előnyei:

• nagyobb kihozatal
• teljesebb kilúgozás
• csökkent reagensfelhasználás
• enyhébb körülmények
• egyszerű megvalósíthatósági vizsgálatok
• lineáris méretnövelés
• teljes üzemi léptékű ultrahangos rendszerek egyszerű telepítése
• rendkívül robusztus ultrahangos készülékek nagy térfogatáramokhoz

Nemesfémek ultrahangos kilúgozása: gyorsabb extrakció a kavitációs kémia révén

A nemesfémek, például az arany, az ezüst, a platina, a palládium és a ródium visszanyerése a modern kohászat és újrahasznosítás egyik alapköve – különösen az ércek, koncentrátumok és másodlagos nyersanyagok, például elektronikai hulladékok és járműkatalizátorok feldolgozásában. Bár a hagyományos kilúgozás jól bevált eljárás, gyakran korlátozza a lassú anyagátadás, a felületi passziválódás, az értékes fázisok nem teljes felszabadítása és a nagy reagensfelhasználás.
Az ultrahangos kilúgozás e korlátozó tényezők közül sokat kiküszöböl azáltal, hogy nagy intenzitású ultrahangot vezet a kilúgozási zagyba, és az akusztikus kavitációnak nevezett jelenség révén drámaian felgyorsítja a reakciókinetikát.

Az alapvető mechanizmus: akusztikus kavitáció

Amikor nagy teljesítményű ultrahangot csatolnak be egy folyadékba, mikroszkopikus kavitációs buborékok keletkeznek, amelyek gyorsan kialakulnak és összeomlanak. Ez az összeomlás szélsőséges helyi körülményeket hoz létre, többek között:

• intenzív mikrokeveredést és nyíróerőket
• szilárd felületekre irányuló, nagy sebességű mikrosugarakat
• helyi forró pontokat (rendkívül magas hőmérsékletet és nyomást mikroszekundumokig)

Bár ezek a hatások mikroszkopikus léptékben jelentkeznek, erősen befolyásolják a makroszkopikus kilúgozási folyamatot azáltal, hogy folyamatosan megújítják a reakcióképes felületet, és felgyorsítják a reagensek szállítását a szilárd részecskékhez és azoktól el.

Az ultrahanggal fokozott savas kilúgozás tizenkétszer gyorsabban megy végbe, mint a hagyományos savas kilúgozás, a felület közelében kipukkanó kavitációs buborékok kedvező mechanikai hatásának köszönhetően. Ez a jelenség javítja a savoldat keveredését, ezáltal javítva a transzporttulajdonságokat.
Kép és tanulmány: © Canciani et al., 2024

Miért javítja az ultrahang a nemesfémek kilúgozását?

A legtöbb kilúgozási rendszerben a sebességmeghatározó lépés nem maga a kémiai reakció, hanem a reakciópartnerek szállítása a határrétegeken, pórusokon vagy passziváló felületi filmeken keresztül. Az ultrahangos kavitáció több, egymást erősítő hatás révén javítja a kilúgozás hatékonyságát:

1. Fokozott anyagátadás
   Az ultrahang csökkenti a szilárd részecskéket körülvevő nyugvó diffúziós réteg vastagságát. Ez lehetővé teszi, hogy a kilúgozószerek (pl. cianid, tioszulfát, klorid, jodid, tiokarbamid vagy savas rendszerek) gyorsabban elérjék a fémtartalmú felületet, miközben az oldott fémkomplexek hatékonyabban távoznak.
2. A részecskefelület aktiválása
   A kavitációs mikrosugarak és lökéshullámok folyamatosan erodálják, tisztítják és érdesítik a részecskék felületét. Ez friss ásványi fázisokat tár fel, és növeli a tényleges reakcióképes felületet – ami különösen fontos a nehezen feldolgozható ércek vagy bevonatos részecskék esetében.
3. A passziváló rétegek megbontása
   Sok nemesfémtartalmú ásvány felületi rétegeket képez a kilúgozás során (pl. oxidokat, szulfátokat, elemi ként vagy szilícium-dioxid-filmeket). Az ultrahang fizikailag megbontja ezeket a gátakat, így a kilúgozószer ismét hozzáférhet az alattuk lévő fémfázishoz.
4. Jobb behatolás a porózus szilárd anyagokba
   Koncentrátumok, katalizátorok és elektronikai hulladékrészecskék esetében az ultrahang segít a folyadékot a pórusokba és mikrorepedésekbe juttatni, javítva a reagensek hozzáférését a beágyazott nemesfémekhez.

Részecskeméret-eloszlások ultrahangos és hagyományos kilúgozás után
Kép és tanulmány: © Canciani et al., 2024

Alkalmazások: az ércektől a városi bányászatig

Az ultrahangos kilúgozást egyre szélesebb körben vizsgálják mind az elsődleges, mind a másodlagos nyersanyagok esetében:

• Arany és ezüst
  Kimutatták, hogy a nagy teljesítményű ultrahang a transzport javításával és a passziválódás hatásainak megszüntetésével felgyorsítja az arany kilúgozását cianidos és alternatív kilúgozószerekben. Az ezüst ércekből és ipari maradékanyagokból történő visszanyerésében is alkalmazható.
• Platinacsoportbeli fémek (PGM-ek)
  A platina, a palládium és a ródium visszanyerése – különösen az elhasznált járműkatalizátorokból – gyakran kloridalapú vagy savas kilúgozási rendszereken alapul. Az ultrahang a felületi reakciók fokozásával és az összetett kerámia/fém mátrixok lebontásának javításával felgyorsítja az oldódási kinetikát.
• Elektronikai hulladék
  A nyomtatott áramköri lapok és elektronikai alkatrészek értékes nemesfémeket tartalmaznak, azonban a polimerek, oxidok és többféle anyagból felépülő szerkezetek miatt jelentős diffúziós gátakat képeznek. Az ultrahangos kezelés javítja a kilúgozás egyenletességét, és csökkentheti a szükséges kilúgozási időt.
• Ritkaföldfémek szénhamuból
  A szénhamu értékes fémeket és ritkaföldfémeket tartalmazhat, amelyek gyakran ásványi fázisokban vagy üvegszerű alumínium-szilikát mátrixban kötöttek. Az ultrahangos kezelés javítja a hamurészecskék és a kilúgozóoldat közötti érintkezést, ami növelheti az extrakció hatékonyságát és lerövidítheti a kilúgozási időt.
  Tudjon meg többet a ritkaföldfémek hamuból történő ultrahangos kilúgozásáról!

A folyamat fő előnyei

Folyamatmérnöki szempontból az ultrahangos kilúgozás számos mérhető előnyt kínál:

• rövidebb kilúgozási idő a felgyorsított kinetika révén
• nagyobb extrakciós kihozatal a felülethez való jobb hozzáférésnek köszönhetően
• kisebb reagensfelhasználás számos rendszerben (kisebb kilúgozószer-felesleg szükséges)
• jobb reprodukálhatóság a jobb diszpergálás és keverés révén
• potenciálisan alacsonyabb üzemi hőmérséklet, mivel az ultrahang ellensúlyozza a lassabb termikus kinetikát

Folyamattervezési szempontok és méretnövelés

Az ultrahangos kilúgozás sikere nagymértékben függ a folyamat tervezésétől. A kritikus paraméterek közé tartoznak:

• az ultrahang teljesítménysűrűsége és amplitúdója
• a zagy koncentrációja és a részecskeméret-eloszlás
• a reaktor geometriája és az áramlási viszonyok
• a hőmérséklet szabályozása
• a kilúgozás kémiai rendszerének kiválasztása (savas, lúgos, kloridos stb.)

Fontos, hogy az ipari léptékű megvalósításhoz szondás, nagy teljesítményű ultrahangos reaktorok szükségesek, mivel az ultrahangos fürdők jellemzően nem juttatnak elegendő energiát a sűrű kilúgozási zagyokba. A folyamatba épített ultrahangos átfolyó cellák folyamatos kilúgozási körökbe integrálhatók, lehetővé téve a méretnövelést. A Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos készülékeit nagy térfogatok igényes körülmények közötti feldolgozására tervezték – növelik a kilúgozott fémek kihozatalát, miközben csökkentik a feldolgozási időt és a környezeti hatást.

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség

A Hielscher ultrahangos készülékei a legmagasabb minőségi és tervezési színvonalukról ismertek. Robusztusságuk és egyszerű kezelésük lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos készülékei könnyedén megbirkóznak a mostoha körülményekkel és az igényes környezetekkel.

A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, amely különös hangsúlyt fektet a legkorszerűbb technológiát és felhasználóbarát kezelést kínáló, nagy teljesítményű ultrahangos készülékekre. A Hielscher ultrahangos készülékei természetesen megfelelnek a CE előírásainak, valamint teljesítik az UL, CSA és RoHs követelményeit.

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.