재에서 희토류 원소의 초음파 침출

초음파 침출법은 재에서 희토류 원소를 회수할 때 추출 수율을 높이고 처리 시간을 단축할 수 있습니다. 고출력 초음파는 재 입자와 침출제 간의 접촉을 개선함으로써 용해를 가속화하고, 귀중한 원소를 더 쉽게 추출할 수 있게 해줍니다. 석탄 비산재에 대한 연구는 이러한 잠재력을 입증하고 있습니다. 연구진은 이트륨 추출률이 97%에 달했다고 보고했으며, 갈륨과 바나듐을 대상으로 한 별도의 연구에서는 산 침출 시간이 180분에서 20분으로 단축된 것으로 나타났습니다.

희토류 원소의 2차 자원으로서의 재

재(ash)는 희토류 원소(REE)의 유망한 2차 자원으로 꼽힌다. 석탄 연소 잔류물에는 전자제품, 에너지 기술 및 첨단 소재에 사용되는 이트륨과 기타 희토류 원소가 포함될 수 있다. 기존의 재 유출물과 퇴적물에서 이러한 원소를 회수하면 원자재 공급원을 다각화할 수 있을 뿐만 아니라, 폐기물을 유용한 원료로 전환할 수 있다.
추출 가능성은 원소 농도와 접근성 모두에 따라 달라집니다. 재에는 귀중한 원소가 포함되어 있을 수 있지만, 주변 광물 매트릭스가 시약의 접근을 제한하는 경우 침출 과정에서 극히 일부만 방출될 수 있습니다. 따라서 재의 조성, 전처리 및 침출 화학 반응을 종합적으로 고려해야 합니다. 동일한 원료에서 여러 가지 귀중한 원소를 회수하는 것도 공정의 전망을 밝게 할 수 있습니다.
초음파 침출은 재 입자를 분쇄하여 희토류가 침출 시약에 용해되도록 합니다. 입자와 시약 간의 물질 전달을 개선함으로써, 초음파 처리는 회수율을 높이는 동시에 처리 시간을 단축시킵니다!

초음파가 재의 침출을 어떻게 개선하는가

고출력 초음파는 음향 캐비테이션을 통해 고체-액체 추출을 촉진합니다. 액체 내에서 미세 기포가 형성되고 붕괴되면서 국부적인 전단력, 미세 제트 및 강력한 혼합 현상이 발생합니다. 이러한 효과는 입자 응집체를 분산시키고, 노출된 표면을 세정하며, 침출제가 반응 부위로 이동하는 것을 개선할 수 있습니다. 용해된 물질은 더 빠르게 제거되어 용해 과정을 지속시키는 데 기여합니다.

재 처리 과정에서 이러한 효과는 다음과 같은 몇 가지 실질적인 이점을 제공합니다:

• 더 빠른 침출: 질량 전달 효율을 높이면 추출 가능한 금속을 추출하는 데 필요한 시간을 단축할 수 있다.
• 더 높은 추출 수율: 표면 접촉을 개선하면, 기존의 혼합 방식으로는 충분히 용출되지 않은 물질이 용출되는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 전처리와의 병용: 활성화 과정을 통해 내성 상이 더 쉽게 접근 가능해지면, 초음파는 용출 단계를 더욱 촉진할 수 있습니다.
• 유연한 공정 개발: 초음파 처리는 다양한 산 농도, 고형물 함량, 온도 및 처리 시간에 맞춰 조정하여 적용할 수 있습니다.

연구 사례: 높은 수확량 및 짧은 침출 시간

다음 연구들은 특정 실험 조건 하에서 이러한 장점을 입증하고 있다. 이트륨은 희토류 원소이며, 갈륨과 바나듐은 그 밖의 귀중한 금속들이다. 이들 금속의 추출은 재의 초음파 처리에 대한 보완적인 증거를 제공한다.

이트륨과 바나듐: 최대 97% 및 100% 회수율

Masoum 등(2021)은 황산, 과산화수소 및 초음파를 이용하여 석탄 비산재에서 바나듐과 이트륨을 추출하는 방법을 연구했다. 연구진은 응답 표면 기법을 적용하여 고체 대 액체 비율과 황산 및 과산화수소의 비율을 최적화했다. 최적화된 조건에서 바나듐의 추출률은 100%, 이트륨의 추출률은 97%에 달한 것으로 보고되었다.
수정된 수축 코어 모델에 따르면, 반응 속도는 물질 확산에 의해 제어되는 것으로 나타났다. 이 결과는 연구 대상 시스템에서 물질 전달 과정의 중요성을 강조하며, 공정 최적화 시 물질 전달을 중점적으로 고려해야 함을 뒷받침한다. 또한, 보고된 수율은 시약과 초음파 시스템을 모두 고려한 결과이지만, 본 연구 결과는 복합 처리를 통해 높은 이트륨 추출률을 달성할 수 있음을 보여준다.

원탄재의 FESEM 이미지: (a) 석탄재 침출 전, (b) 초음파 침출 후.
연구 및 이미지: ©Masoum 외, 2021

갈륨 및 바나듐: 침출 시간 88.89% 단축

Zhang 등(2026)은 탄산나트륨 활성화 소성 후의 초음파 산 침출을 연구하였다. 최적화된 전처리는 비산재와 Na₂CO₃의 질량비를 2:1로 하여 850°C에서 60분간 소성하는 것으로 구성되었다. 이후 수행된 초음파 산 침출을 통해 20분 이내에 높은 갈륨 및 바나듐 회수율을 달성했다.

180분에서 20분으로 단축된 시간은 침출 단계가 88.89% 단축된 것에 해당합니다. 동역학 분석 결과, 속도 상수가 증가했으며 물질 전달 및 계면 반응 과정 모두에서 향상된 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 활성화 소성과 초음파 침출을 결합할 때의 잠재력을 보여줍니다. 시간 단축 효과는 침출 단계에만 적용되며, 소성 공정은 여전히 별도의 공정 단계로 남아 있습니다.

초음파로 강화된 산성 침출은 표면 근처에서 파열되는 캐비테이션 기포의 유익한 기계적 작용으로 인해 기존의 산성 침출보다 12배 빠른 속도로 작동합니다. 이 현상은 산성 용액 혼합을 개선하여 수송 특성을 향상시킵니다.
이미지 및 연구: © 칸치아니 외, 2024

희토류 회수율을 높이기 위한 초음파 침출 공정을 개발하십시오

실용적인 희토류 추출 과정에서는 침출 단계에 이어 용해된 원소들의 분리 및 정제 과정이 이루어집니다. 따라서 높은 침출 효율은 완제품인 희토류의 수율보다는 중요한 중간 결과로 간주됩니다. 공정 평가에는 후단 회수 공정, 시약 사용량, 그리고 전처리 및 초음파 처리에 필요한 에너지 등이 포함되어야 합니다.
Hielscher는 강화 침출 공정의 개발 및 적용을 위해 산업용 벤치탑 초음파 처리기와 고성능 초음파 유동 반응기를 제공합니다. 장비 선정 및 시험 운영을 통해 특정 재에 적합한 진폭, 고형분 부하량, 체류 시간 및 온도 제어 조건을 확립할 수 있습니다.
대량 생산으로의 간편한 확장: 최적의 회수율을 위한 매개변수가 일단 확립되면, 이를 어떠한 상업적 침출량에도 선형적으로 확대 적용할 수 있습니다.

기존(a–c) 및 초음파(d–f) 침출 시간이 다른 입자에 대한 SEM 이미지.
이미지 및 연구: © 칸치아니 외, 2024

문헌 / 참고문헌