灰からの希土類元素の超音波浸出
超音波浸出法は、灰から希土類元素を回収する際、抽出収率を高め、処理時間を短縮することができます。高出力超音波は、灰粒子と浸出剤との接触を改善することで溶解を促進し、貴重な元素をより効率的に回収できるようにします。 石炭飛灰に関する研究はその可能性を実証しています。ある研究ではイットリウムの抽出率が97％に達したことが報告されており、またガリウムとバナジウムに関する別の研究では、酸浸出時間が180分から20分に短縮されました。
希土類元素の二次資源としての灰
灰は、希土類元素（REE）の有望な二次資源である。石炭燃焼残渣には、電子機器、エネルギー技術、先端材料などに使用されるイットリウムやその他の希土類元素が含まれている場合がある。既存の灰の流出物や堆積物からこれらの元素を回収することで、原材料の供給源を多様化させ、廃棄物を有用な原料へと転換することができる。
抽出可能性は、元素濃度とアクセス可能性の両方に依存する。灰には有価元素が含まれていても、周囲の鉱物マトリックスが試薬のアクセスを妨げている場合、浸出時に放出されるのはごく一部にとどまることがある。したがって、灰の組成、前処理、および浸出反応を総合的に考慮する必要がある。また、同一の原料から複数の有価元素を回収できれば、プロセスの見通しも向上する可能性がある。
超音波浸出により、灰分粒子が破砕され、希土類元素が浸出試薬に溶出できるようになります。粒子と試薬間の物質移動が促進されることで、超音波処理は回収率を向上させると同時に、処理時間を短縮します！
ヒエルシャー社製超音波処理装置の産業用導入事例：石炭灰からの希土類元素をインラインで抽出するための48kW超音波処理装置クラスター
超音波が灰の浸出をどのように改善するか
高出力超音波は、音響キャビテーションによって固液抽出を促進します。液体中に微細な気泡が形成・崩壊することで、局所的なせん断力、マイクロジェット、および激しい撹拌が生じます。これらの効果により、粒子の凝集体が分散され、露出した表面が洗浄され、反応部位への浸出剤の輸送が促進されます。これにより、溶解した物質がより迅速に運び出され、溶解の持続が助けられます。
灰の処理において、これらの効果はいくつかの実用的な利点をもたらします：
- 浸出速度の向上： 物質移動の促進により、抽出可能な金属の抽出にかかる時間を短縮できる。
- 抽出収率の向上： 表面接触を改善することで、従来の混合方法では十分に浸出されなかった物質を溶出させることができる。
- 前処理との併用： 超音波は、活性化によって難溶性相がよりアクセスしやすくなった後、溶出段階を促進させることができる。
- 柔軟なプロセス開発： 超音波処理は、酸濃度、固形分濃度、温度、処理時間などの条件に応じて調整・最適化することができます。
研究事例：高収量と浸出時間の短縮
以下の研究は、特定の実験条件下におけるこれらの利点を示している。イットリウムは希土類元素であり、ガリウムやバナジウムも貴重な金属である。これらの金属の抽出は、灰の超音波処理の有効性を裏付けるさらなる証拠となっている。
イットリウムとバナジウム：最大97％および100％の回収率
Masoumら（2021）は、硫酸、過酸化水素、および超音波を用いて、石炭フライアッシュからバナジウムとイットリウムを抽出する方法を検討した。 研究者らは、応答曲面法を用いて、固液比および硫酸と過酸化水素の配合比率を最適化した。最適化された条件下では、バナジウムの抽出率は100％、イットリウムの抽出率は97％に達したことが報告されている。
修正された収縮コアモデルによると、反応速度は物質拡散によって支配されていることが示された。この知見は、調査対象の系における輸送過程の重要性を浮き彫りにするとともに、プロセス最適化において物質移動に着目することの妥当性を裏付けている。これらの結果は、報告された収率が試薬および超音波システムの全量を反映しているものの、複合処理によって高いイットリウム抽出率が達成可能であることを示している。
未処理の石炭灰のFESEM画像：（a）石炭灰の浸出前、（b）超音波浸出後。
研究および画像：©Masoum et al., 2021
ガリウムとバナジウム：浸出時間が88.89％短縮
Zhangら（2026）は、炭酸ナトリウムによる活性化焙焼後の超音波酸浸出について調査した。 最適化された前処理は、フライアッシュとNa₂CO₃の質量比を2:1とし、850°Cで60分間焙焼することから成っていた。その後の超音波酸浸出により、20分以内にガリウムおよびバナジウムの高抽出率が達成された。
| パラメータ | 活性化焙焼後の超音波浸出 | 従来の浸出法 |
|---|---|---|
| 浸出時間 | 20分 | 180分 |
| ガリウムの浸出効率 | 98.14% | 63.81% |
| バナジウムの浸出効率 | 92.32% | 83.56% |
180分から20分への短縮は、浸出段階が88.89％短縮されたことに相当する。速度論的解析により、速度定数の増加、および物質移動と界面反応プロセスの両方の促進が示された。これらの結果は、活性化焙焼と超音波浸出を組み合わせる可能性を示している。 時間の短縮は浸出工程に適用されるものであり、焙焼は依然として追加の処理工程である。
超音波による酸浸出強化は、表面近くで破裂するキャビテーション気泡の有益な機械的作用により、従来の酸浸出の12倍の速度で行われる。この現象により酸溶液の混合が改善され、輸送特性が向上します。
画像と研究：© Canciani et al, 2024
高負荷処理用の産業用超音波処理装置 UIP4000hdT 2台
希土類の回収率を高めるための超音波浸出プロセスを開発する
実用的な希土類の抽出においては、浸出工程の後に、溶解した元素の分離・精製が行われる。したがって、高い浸出効率は、完成した希土類製品の収率というよりも、重要な中間成果である。プロセスの評価には、下流工程での回収率、試薬の使用量、および前処理と超音波処理の両方に必要なエネルギーを含めるべきである。
Hielscher社は、強化浸出プロセスの開発および導入向けに、工業用グレードの卓上型超音波処理装置および高耐久型の超音波流動反応器を提供しています。装置の選定と試験を行うことで、特定の灰に対して適切な振幅、固形分負荷量、滞留時間、および温度制御を確立することができます。
大容量へのシンプルなスケールアップ： 最適な回収のためのパラメータが確立されれば、それを任意の商業規模の浸出量に対して直線的にスケールアップすることが可能となる。
Hielscher Ultrasonics社は、ラボスケール、パイロットスケール、工業スケールの混合アプリケーション、分散、乳化、抽出用の高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
通常浸出（a-c）と超音波浸出（d-f）の異なる時間における粒子のSEM画像。
画像と研究：© Canciani et al, 2024
よくある質問
超音波は、灰からの希土類の浸出をどのように改善するのでしょうか？
超音波は、浸出スラリー内で音響キャビテーションを発生させます。気泡の崩壊により、局所的な激しい撹拌、せん断力、およびマイクロジェットが生じ、これにより灰粒子と浸出液との接触が促進されます。これらの効果により、反応性表面が露出され、物質移動が加速されるため、抽出収率の向上と浸出時間の短縮につながります。
灰からはどのような希土類元素や貴金属を浸出させることができるか？
灰は、その起源や鉱物組成に応じて、浸出処理を行うことで、ランタン（La）、セリウム（Ce）、ネオジム（Nd）、ジスプロシウム（Dy）、イットリウム（Y）、スカンジウム（Sc）などの希土類元素を抽出することができます。 石炭フライアッシュは、これらの元素の潜在的な供給源である。
その他の有価金属としては、適切な石炭灰に含まれるガリウム（Ga）やバナジウム（V）、および都市ごみ焼却灰に含まれる銅（Cu）や亜鉛（Zn）などが挙げられる。
なぜ灰の浸出には高出力プローブ型超音波処理装置を使うのか？
プローブ式超音波処理装置は、ソノトロード（超音波プローブ／ロッド）を介してスラリーに超音波エネルギーを直接導入します。これにより、固液混合物の集中的な処理が可能となり、処理条件を調整することもできます。ヒエルシュラー社の産業用超音波処理装置は、制御されたエネルギー入力と信頼性の高い運転が不可欠な浸出回路への統合に対応しています。 構成は、スラリーの組成、固形分濃度、および必要な処理能力に合わせて選定する必要があります。
以下に、ヒエルシャー社の浸出用途の例をいくつかご紹介します：
Hielscher社の超音波処理装置は連続運転が可能ですか？
はい。UIP500hdT（500W）からUIP16000hdT（16,000W）に至るヒエルシャー社の産業用超音波処理装置は、24時間365日の連続運転に対応するように設計されています。 これらは、バッチ処理、再循環処理、あるいは超音波フローセルを用いた連続処理のいずれにも対応可能です。灰の浸出処理においては、スラリーの送液、温度制御、および選定された浸出薬剤を統合したシステム構成となります。
超音波浸出法は、工業規模の生産へと拡大できるのでしょうか？
はい、Hielscherの超音波処理装置では、直線的なスケールアップが可能です。 Hielscher社は、実験室での試験、パイロット処理、および工業生産向けの装置を提供しており、クラスター構成で組み合わせ可能な16 kWのプロセッサーも含まれています。スケールアップは、適切な振幅、エネルギー入力、温度、および滞留時間を決定するための試験から始まります。これらの結果は、反応器の容量選定や、必要な処理能力における抽出性能の検証を行うための基礎となります。
超音波処理は、酸処理や活性化焙煎に取って代わるものなのでしょうか？
超音波は浸出プロセスを促進し、化学試薬は対象元素を溶解するために必要な化学反応をもたらします。また、一部の灰については、難溶性の鉱物相を抽出可能にするために前処理が必要になる場合もあります。
どのプロセスパラメータを監視できますか？
200ワット以上のすべてのヒエルシャー製超音波処理装置は、振幅、出力、処理時間、温度のモニタリングおよび自動記録に対応しており、オプションのセンサーを使用することで圧力測定も可能です。これらのデータは、試験結果の比較や、運転条件の確実な再現に役立ちます。希土類元素の抽出効率については、原料、浸出液、および残留固形物の化学分析を通じて別途測定する必要があります。
超音波装置は、酸性で研磨性のある灰スラリーに使用できますか？
Hielscher Ultrasonics社は、酸性で研磨性のある灰スラリーを超音波処理するためのソリューションを提供しています。ソノトロード、フローセル、シール、およびその他の液体に接触する部品は、酸の組成、濃度、温度、および粒子の研磨性に応じて選定する必要があります。
浸出効率が高いほど、最終的な希土類の回収量も増えるのでしょうか？
はい、浸出効率が高いということは、対象元素のより多くの量が液相に移行することを意味します。実用的な希土類製品を製造するには、下流工程での分離・精製も必要です。全体的な回収率は、プロセス全体の性能に左右されます。
自分のプロセスに適したヒエルシャー社製超音波処理装置をどのように選べばよいでしょうか？
まず、代表的な灰サンプルを用意し、対象元素、スラリー濃度、浸出条件、バッチ容量または流量、および目標抽出収率を定義します。ヒエルシャーでは、実現可能性試験およびその後の線形スケールアップに向けた装置の選定を支援いたします。また、当社のテクニカルセンターおよびプロセス研究所では、装置選定を支援するための試験も実施しています。
文献・参考文献
- 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.
