재에서 희토류 원소의 초음파 침출

초음파 침출은 재에서 희토류 원소를 회수할 때 추출 수율을 높이고 처리 시간을 단축할 수 있습니다. 고출력 초음파는 재 입자와 침출제 사이의 접촉을 개선하여 용해를 가속하고 유가 원소에 대한 접근성을 높이는 데 도움을 줍니다. 석탄 비산재에 관한 연구들은 이러한 잠재력을 보여 줍니다. 연구자들은 이트륨 추출률 97%를 보고했으며, 갈륨과 바나듐에 관한 별도의 연구에서는 산 침출 시간을 180분에서 20분으로 단축했습니다.

희토류 원소의 이차 자원으로서의 재

재는 희토류 원소(REEs)의 유망한 이차 자원입니다. 석탄 연소 잔류물에는 전자 기기, 에너지 기술 및 첨단 소재에 사용되는 이트륨과 기타 희토류가 포함될 수 있습니다. 기존에 발생하는 재와 퇴적된 재에서 이러한 원소를 회수하면 원료 공급원을 다변화하고 폐기 대상 물질을 유용한 원료로 전환할 수 있습니다.
추출 잠재력은 원소 농도와 접근성 모두에 따라 달라집니다. 재에 유가 원소가 포함되어 있더라도 이를 둘러싼 광물 매트릭스가 시약의 접근을 제한하면 침출 과정에서 제한된 비율만 용출될 수 있습니다. 따라서 재의 조성, 전처리 및 침출 화학 조건을 함께 고려해야 합니다. 동일한 원료에서 여러 유가 원소를 회수하는 것 역시 공정의 전망을 개선할 수 있습니다.
초음파 침출은 재 입자를 파쇄하여 침출 시약이 희토류에 접근할 수 있도록 합니다. 초음파 처리는 입자와 시약 사이의 물질 전달을 개선하여 회수율을 높이는 동시에 처리 시간을 단축합니다!

초음파가 재 침출을 개선하는 원리

고출력 초음파는 음향 캐비테이션을 통해 고체–액체 추출을 강화합니다. 액체 내부에서 미세한 기포가 생성되고 붕괴하면서 국소적인 전단력, 마이크로제트 및 강력한 혼합을 일으킵니다. 이러한 효과는 입자 응집체를 분산시키고 노출된 표면을 세정하며 침출제가 반응 부위로 이동하는 것을 개선할 수 있습니다. 용해된 화학종은 더 빠르게 이동하여 제거되므로 용해가 지속되는 데 도움이 됩니다.

재 처리에서 이러한 효과는 다음과 같은 여러 실질적인 이점을 제공합니다:

• 더 빠른 침출: 향상된 물질 전달은 침출제가 접근할 수 있는 금속을 추출하는 데 필요한 시간을 단축할 수 있습니다.
• 더 높은 추출 수율: 향상된 표면 접촉은 기존 혼합 방식에서 충분히 침출되지 않고 남아 있는 물질의 용출을 도울 수 있습니다.
• 전처리와의 결합: 활성화를 통해 침출에 저항성이 있는 상에 대한 접근성이 높아진 후, 초음파는 침출 단계를 강화할 수 있습니다.
• 유연한 공정 개발: 초음파 처리는 다양한 산 농도, 고형물 부하량, 온도 및 처리 시간에 맞게 개발할 수 있습니다.

연구 사례: 높은 수율과 단축된 침출 시간

다음 연구들은 특정 실험 조건에서 이러한 이점을 보여 줍니다. 이트륨은 희토류 원소이며, 갈륨과 바나듐은 그 외의 유가 금속입니다. 이들 원소의 추출 결과는 재의 초음파 처리에 대한 상호 보완적인 근거를 제공합니다.

이트륨과 바나듐: 각각 최대 97% 및 100% 추출

Masoum et al. (2021)은 황산, 과산화수소 및 초음파를 사용하여 석탄 비산재에서 바나듐과 이트륨을 추출하는 방법을 연구했습니다. 연구진은 반응표면법을 적용하여 고액비와 황산 및 과산화수소의 비율을 최적화했습니다. 최적화된 조건에서 보고된 추출률은 바나듐의 경우 100%, 이트륨의 경우 97%에 도달했습니다.
수정된 수축핵 모델은 물질 확산이 반응 속도를 지배함을 나타냈습니다. 이 결과는 연구 대상 시스템에서 물질 전달 과정의 중요성을 강조하며, 공정 최적화 시 물질 전달을 개선 대상으로 삼는 것을 뒷받침합니다. 이러한 결과는 복합 처리를 통해 높은 이트륨 추출률을 달성할 수 있음을 보여주지만, 보고된 수율은 시약과 초음파를 모두 포함한 전체 시스템의 결과를 반영합니다.

원료 석탄회의 FESEM 이미지: (a) 왼쪽은 침출 전 석탄회, (b)는 초음파 침출 후 석탄회.
연구 및 이미지: ©Masoum et al., 2021

갈륨과 바나듐: 침출 시간 88.89% 단축

Zhang et al. (2026)은 탄산나트륨 활성화 배소 후 초음파 산 침출을 연구했습니다. 최적화된 전처리는 비산재 대 Na₂CO₃ 질량비를 2:1로 하여 850°C에서 60분 동안 배소하는 것이었습니다. 이후 초음파 산 침출을 통해 20분 이내에 높은 갈륨 및 바나듐 추출률을 달성했습니다.

180분에서 20분으로 줄어든 것은 침출 단계의 시간이 88.89% 단축되었음을 의미합니다. 반응 속도론 분석은 속도 상수의 증가와 함께 물질 전달 및 계면 반응 과정이 모두 향상되었음을 나타냈습니다. 이러한 결과는 활성화 배소와 초음파 침출을 결합하는 방법의 잠재력을 보여줍니다. 시간 절감은 침출에 적용되며, 배소는 여전히 추가 처리 단계로 필요합니다.

초음파로 강화된 산 침출은 표면 근처에서 캐비테이션 기포가 붕괴할 때 발생하는 유익한 기계적 작용으로 인해 기존 산 침출보다 열두 배 빠른 속도로 진행됩니다. 이 현상은 산 용액의 혼합을 개선하여 물질 전달 특성을 향상시킵니다.
이미지 및 연구: © Canciani et al., 2024

높은 희토류 회수율을 위한 초음파 침출 공정을 개발하세요

실제 희토류 추출에서는 침출 후 용해된 원소의 분리와 정제가 이어집니다. 따라서 높은 침출 효율은 최종 희토류 제품의 수율보다는 중요한 중간 결과를 나타냅니다. 공정 평가에는 후속 회수, 시약 사용, 전처리와 초음파 처리에 필요한 에너지가 모두 포함되어야 합니다.
Hielscher는 강화된 침출 공정의 개발과 구현을 위해 산업용 등급의 벤치탑 초음파 처리기와 고강도 초음파 유동 반응기를 제공합니다. 장비 선정과 시험을 통해 특정 재에 적합한 진폭, 고형물 부하, 체류 시간 및 온도 제어 조건을 설정할 수 있습니다.
대용량으로 간편하게 규모 확대: 최적의 회수를 위한 매개변수가 확립되면, 이를 모든 상업적 침출 처리량으로 선형 확대할 수 있습니다.

기존 침출(a–c) 및 초음파 침출(d–f)의 서로 다른 시점에서 관찰한 입자의 SEM 이미지.
이미지 및 연구: © Canciani et al., 2024

문헌 / 참고문헌

• 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.