貴金属の超音波浸出

パワー超音波は、貴金属やレアアースなどの金属を抽出する効果的な技術である。この超音波による固液抽出プロセスは、ソノリーチング、リキシビエーション、または洗浄として知られています。鉱石からのレアアースの浸出、より完全な回収のための採掘スラリー処理、または価値の高い金属（Cu、Zn、Niなど）と価値の低い金属との分離のために、堅牢な工業用超音波発生装置を簡単に設置することができます。

超音波浸出は、物質移動と溶解によって反応を促進するので、短い抽出時間で高い収率が得られる。
超音波浸出の主な利点は以下の通りである：

• 高い利回り
• より完全な浸出
• 試薬消費量の削減
• より穏やかなコンディション
• 簡易フィージビリティ・テスト
• リニア・スケールアップ
• フル業務用超音波システムの容易な設置
• 大容量ストリーム用の非常に堅牢な超音波発生装置

貴金属の超音波浸出：キャビテーション化学による高速抽出

金、銀、プラチナ、パラジウム、ロジウムなどの貴金属の回収は、現代の冶金とリサイクルの要である。 – 特に、鉱石、精鉱、電子スクラップや触媒コンバーターのような二次資源の処理において。従来の浸出法はよく確立されているが、物質移動の遅さ、表面の不動態化、有価相の不完全な遊離、試薬の消費量の多さなどによって、しばしば制限を受ける。
超音波浸出は、高強度の超音波を浸出スラリーに導入し、音響キャビテーションとして知られる現象によって反応速度を劇的に強めることで、こうしたボトルネックの多くを解決する。

核心メカニズム音響キャビテーション

高出力超音波が液体に結合されると、微細なキャビテーション気泡が発生し、急速に形成・崩壊する。この崩壊により、以下のような極端な局所的状態が発生する：

• 激しいマイクロミキシングとせん断力
• 固体表面に向けられた高速マイクロジェット
• 局所的なホットスポット（マイクロ秒間の超高温・超高圧）

これらの効果は微視的なスケールで起こるが、絶えず反応性表面を更新し、固体粒子への、あるいは固体粒子からの試薬の輸送を促進することによって、巨視的な浸出プロセスに強い影響を与える。

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

超音波が貴金属の浸出を改善する理由

ほとんどの浸出システムにおいて、律速段階は化学反応そのものではなく、むしろ境界層、細孔、または不動態化表面膜を介した反応物の輸送である。超音波キャビテーションは、いくつかの相乗効果により浸出効率を向上させます：

1. 強化された物質移動
   超音波は、固体粒子を取り囲む滞留拡散層の厚さを減少させる。これにより、液化活性剤（シアン化物、チオ硫酸塩、塩化物、ヨウ化物、チオ尿素、酸性系など）が金属含有表面に速く到達し、溶解した金属錯体がより効率的に除去される。
2. 粒子表面の活性化
   キャビテーションのマイクロジェットと衝撃波は、粒子表面を継続的に侵食し、洗浄し、粗くします。これにより、新鮮な鉱物相が露出し、有効反応面積が増加します。 – 耐火性鉱石や被覆粒子では特に重要である。
3. パッシベーション層の破壊
   多くの貴金属含有鉱物は、浸出中に表面層を形成する（酸化物、硫酸塩、元素状硫黄、シリカ膜など）。超音波は、これらの障壁を物理的に破壊し、浸出剤の下層の金属相へのアクセスを回復させることができる。
4. 多孔質固体への浸透性の向上
   濃縮物、触媒、電子廃棄物粒子の場合、超音波は液体を孔や微小亀裂に押し込むのに役立ち、埋め込まれた貴金属への試薬のアクセスを改善する。

超音波浸出と通常の浸出後の粒度分布
画像と研究：© Canciani et al, 2024

アプリケーション鉱石から都市鉱山まで

超音波浸出法は、一次および二次資源の両方でますます研究が進んでいる：

• 金と銀
  パワー超音波は、輸送を改善し不動態化効果を除去することで、シアン化物や代替液化剤中での金の浸出を促進することが示されている。また、鉱石や産業残渣からの銀の回収にも有効である。
• 白金族金属（PGMs）
  プラチナ、パラジウム、ロジウムの回収 – 特に使用済み触媒コンバーターから – 多くの場合、塩化物ベースまたは酸性の浸出システムに依存しています。超音波は、表面反応を強め、複雑なセラミック／金属マトリックスの分解を改善することで、溶解速度を向上させる。
• 電子スクラップ
  プリント基板や電子部品には貴重な貴金属が含まれているが、ポリマー、酸化物、多材料構造により強い拡散障壁が存在する。超音波処理は、浸出の均一性を向上させ、必要な浸出時間を短縮することができます。

プロセスの主な利点

プロセス工学の観点から、超音波浸出はいくつかの測定可能な利点を提供する：

• 速度論による浸出時間の短縮
• 地表へのアクセスが改善されたため、抽出収率が向上
• 多くのシステムで試薬の消費量が少ない（過剰なリキシビアの必要量が少ない）
• 分散・混合性の向上による再現性の向上
• 超音波がより遅い熱動力学を補償するため、動作温度が低下する可能性がある。

プロセスの考察とスケールアップ

超音波浸出の成功は、プロセス設計に大きく依存する。重要なパラメーターは以下の通りである：

• 超音波パワー密度と振幅
• スラリー濃度と粒度分布
• リアクターの形状と流動条件
• 温度調節
• 浸出化学の選択（酸性、アルカリ性、塩化物など）

重要なことは、工業的規模の実施にはプローブタイプの高出力超音波リアクターが必要であることである。インライン超音波フローセルは、連続浸出回路に組み込むことができ、スケーラブルな操作を可能にします。Hielscher社の高性能ソニケーターは、厳しい条件下での大量処理用に設計されています。 – 処理時間を短縮し、環境への影響を低減しながら、溶出金属の収率を向上させる。

デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

Hielscher社の超音波装置は、その最高の品質と設計基準でよく知られています。頑丈で操作が簡単なため、産業設備にスムーズに組み込むことができます。過酷な条件や厳しい環境でも、Hielscherの超音波装置は容易に対応できます。

Hielscher Ultrasonics社は、ISO認証取得企業であり、最先端の技術と使いやすさを特徴とする高性能超音波振動子に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波装置はCEに準拠しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

文献・参考文献