貴金属の超音波浸出

高出力超音波は、貴金属や希土類などの金属を抽出するための効果的な技術です。この超音波支援固液抽出プロセスは、超音波浸出、浸出、または洗浄と呼ばれます。堅牢な産業用超音波処理装置は容易に設置でき、鉱石からの希土類の浸出、より完全な回収に向けた鉱業スラリーの処理、価値の低い金属からの高価値金属（例：Cu、Zn、Ni）の分離に利用できます。

超音波浸出は物質移動と溶解によって反応を促進するため、より短い抽出時間でより高い収率が得られます。
超音波浸出の主な利点は次のとおりです：

• より高い収率
• より完全な浸出
• 試薬消費量の削減
• より穏やかな条件
• 簡単な実現可能性試験
• 線形のスケールアップ
• 本格的な商業規模の超音波システムの容易な設置
• 大流量の処理に対応する極めて堅牢な超音波処理装置

貴金属の超音波浸出：キャビテーション化学による抽出の高速化

金、銀、白金、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基盤です – 特に、鉱石、精鉱、電子機器スクラップや触媒コンバーターなどの二次資源の処理において重要です。従来の浸出法は十分に確立されていますが、物質移動の遅さ、表面の不動態化、有価相の不完全な単体分離、試薬消費量の多さによって制約を受けることがよくあります。
超音波浸出は、浸出スラリーに高強度超音波を導入し、音響キャビテーションと呼ばれる現象を通じて反応速度を大幅に高めることで、これらのボトルネックの多くに対処します。

中核となるメカニズム：音響キャビテーション

高出力超音波を液体に結合させると、微小なキャビテーション気泡が生じ、急速に生成と崩壊を繰り返します。この崩壊により、局所的に次のような極端な条件が生じます：

• 強力な微視的混合とせん断力
• 固体表面に向かう高速マイクロジェット
• 局所的なホットスポット（マイクロ秒の間、極めて高い温度と圧力が生じる領域）

これらの効果は微視的なスケールで生じますが、反応表面を継続的に更新し、固体粒子へ向かう試薬の移動と固体粒子から離れる試薬の移動を加速することで、巨視的な浸出プロセスに強く影響します。

超音波で促進した酸浸出は、表面付近で崩壊するキャビテーション気泡の有益な機械的作用により、従来の酸浸出の十二倍の速度で進行します。この現象は酸溶液の混合を改善し、それによって輸送特性を向上させます。
画像および研究：© Canciani et al., 2024

超音波が貴金属の浸出を改善する理由

ほとんどの浸出系では、律速段階は化学反応そのものではなく、境界層、細孔、不動態化した表面皮膜を通る反応物の移動です。超音波キャビテーションは、いくつかの相乗効果を通じて浸出効率を向上させます：

1. 物質移動の促進
   超音波は、固体粒子を取り囲む停滞拡散層の厚さを減少させます。これにより、浸出剤（例：シアン化物、チオ硫酸塩、塩化物、ヨウ化物、チオ尿素、酸性系）が金属を含む表面により速く到達する一方、溶解した金属錯体はより効率的に除去されます。
2. 粒子表面の活性化
   キャビテーションによるマイクロジェットと衝撃波は、粒子表面を継続的に侵食、洗浄し、粗面化します。これにより、新たな鉱物相が露出し、有効反応面積が増加します – これは、特に難処理鉱石や被覆された粒子において重要です。
3. 不動態皮膜の破壊
   貴金属を含む多くの鉱物は、浸出中に表面層（例：酸化物、硫酸塩、単体硫黄、シリカ皮膜）を形成します。超音波はこれらの障壁を物理的に破壊し、浸出剤がその下の金属相に再び到達できるようにします。
4. 多孔質固体への浸透の改善
   精鉱、触媒、電子廃棄物の粒子では、超音波が液体を細孔や微小亀裂に押し込むのを助け、内部に埋め込まれた貴金属への試薬の到達を改善します。

超音波浸出および従来の浸出後の粒径分布
画像および研究：© Canciani et al., 2024

用途：鉱石から都市鉱山まで

超音波浸出は、一次資源と二次資源の両方で研究がますます進められています：

• 金と銀
  高出力超音波は、物質移動を改善して不動態化の影響を取り除くことにより、シアン化物および代替浸出剤による金の浸出を加速することが示されています。また、鉱石や産業残渣からの銀の回収にも適用できます。
• 白金族金属（PGMs）
  白金、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の回収 – は、塩化物系または酸性の浸出系に依存することがよくあります。超音波は、表面反応を強化し、複雑なセラミック／金属マトリックスの分解を促進することで、溶解速度を高めます。
• 電子機器スクラップ
  プリント回路基板や電子部品には価値の高い貴金属が含まれていますが、ポリマー、酸化物、複数材料からなる構造が強い拡散障壁となります。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できる場合があります。
• 石炭灰からの希土類
  石炭灰には価値の高い金属や希土類が含まれる場合があり、これらは鉱物相内やガラス状のアルミノケイ酸塩マトリックス内に結合していることがよくあります。超音波処理は灰粒子と浸出溶液の接触を改善するため、抽出効率を向上させ、浸出時間を短縮できる場合があります。
  灰からの希土類の超音波浸出について詳しくお読みください！

プロセスの主な利点

プロセス工学の観点から、超音波浸出には測定可能な利点がいくつかあります：

• 反応速度の向上による浸出時間の短縮
• 表面への到達性の改善による抽出収率の向上
• 多くの系での試薬消費量の削減（必要な過剰浸出剤の量が減少）
• 分散と混合の改善による再現性の向上
• 超音波が熱による反応速度の遅さを補うことによる運転温度低減の可能性

プロセス上の考慮事項とスケールアップ

超音波浸出の成功は、プロセス設計に大きく左右されます。重要なパラメーターには次のものがあります：

• 超音波の出力密度と振幅
• スラリー濃度と粒径分布
• リアクターの形状と流動条件
• 温度制御
• 浸出に用いる化学系の選択（酸性、アルカリ性、塩化物系など）

重要な点として、超音波浴型の処理装置では通常、高濃度の浸出スラリーに十分なエネルギーを供給できないため、産業規模での実施にはプローブ型の高出力超音波リアクターが必要です。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、規模の拡大に対応した運転を可能にします。Hielscherの高性能超音波処理装置は、厳しい条件下で大量の物質を処理するために設計されています – 浸出金属の収率を高めると同時に、処理時間と環境への影響を低減します。

設計、製造、コンサルティング – ドイツ製の品質

Hielscherの超音波処理装置は、最高水準の品質と設計基準で広く知られています。堅牢性と操作の容易さにより、当社の超音波処理装置を産業施設に円滑に組み込むことができます。Hielscherの超音波処理装置は、過酷な条件や要求の厳しい環境にも容易に対応します。

Hielscher UltrasonicsはISO認証を取得した企業であり、最先端技術と使いやすさを備えた高性能超音波処理装置に特に重点を置いています。もちろん、Hielscherの超音波処理装置はCEに適合しており、UL、CSA、RoHsの要件を満たしています。

文献／参考資料

• 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.