귀금속의 초음파 침출

고출력 초음파는 귀금속과 희토류 등의 금속을 추출하는 효과적인 기술입니다. 이러한 초음파 보조 고체–액체 추출 공정은 초음파 침출, 침출 또는 세척으로 알려져 있습니다. 견고한 산업용 초음파 처리기는 광석에서 희토류를 침출하거나, 더 완전한 회수를 위해 광업 슬러리를 처리하거나, 가치가 낮은 금속에서 고부가가치 금속(예: Cu, Zn, Ni)을 분리하도록 쉽게 설치할 수 있습니다.

초음파 침출은 물질 전달과 용해를 통해 반응을 촉진하여 더 짧은 추출 시간에 더 높은 수율을 얻을 수 있게 합니다.
초음파 침출의 주요 이점은 다음과 같습니다:

• 더 높은 수율
• 더 완전한 침출
• 시약 소비량 감소
• 더 온화한 조건
• 간단한 타당성 시험
• 선형 규모 확장
• 본격적인 상업용 초음파 시스템의 간편한 설치
• 대용량 흐름을 처리하는 매우 견고한 초음파 처리기

귀금속의 초음파 침출: 캐비테이션 화학을 통한 더 빠른 추출

금, 은, 백금, 팔라듐, 로듐과 같은 귀금속의 회수는 현대 야금 및 재활용의 핵심입니다 – 특히 광석, 정광, 전자 스크랩 및 촉매 변환기와 같은 이차 자원의 처리에서 그렇습니다. 기존 침출법은 잘 확립되어 있지만, 느린 물질 전달, 표면 부동태화, 유가 광물상의 불완전한 단체 분리, 높은 시약 소비량으로 인해 한계가 있는 경우가 많습니다.
초음파 침출은 침출 슬러리에 고강도 초음파를 전달하여 이러한 병목 현상 중 상당수를 해결하며, 음향 캐비테이션이라는 현상을 통해 반응 속도를 크게 높입니다.

핵심 메커니즘: 음향 캐비테이션

고출력 초음파가 액체에 전달되면 빠르게 생성되고 붕괴하는 미세한 캐비테이션 기포가 만들어집니다. 이러한 붕괴는 다음과 같은 극단적인 국소 조건을 발생시킵니다:

• 강력한 미세 혼합과 전단력
• 고체 표면을 향하는 고속 마이크로제트
• 국소적인 고온점(마이크로초 동안 지속되는 매우 높은 온도와 압력)

이러한 효과는 미시적 규모에서 발생하지만, 반응 표면을 지속적으로 새롭게 하고 고체 입자로 향하거나 입자에서 멀어지는 시약의 이동을 가속하여 거시적인 침출 공정에 큰 영향을 미칩니다.

초음파로 강화된 산 침출은 표면 근처에서 붕괴하는 캐비테이션 기포의 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

초음파가 귀금속 침출을 개선하는 이유

대부분의 침출 시스템에서 속도 결정 단계는 화학 반응 자체가 아니라 경계층, 기공 또는 부동태화 표면막을 통한 반응물의 이동입니다. 초음파 캐비테이션은 여러 상승 효과를 통해 침출 효율을 향상시킵니다:

1. 물질 전달 향상
   초음파는 고체 입자 주위의 정체된 확산층 두께를 줄입니다. 이를 통해 침출제(예: 시안화물, 티오황산염, 염화물, 요오드화물, 티오요소 또는 산성 시스템)가 금속을 함유한 표면에 더 빠르게 도달하고, 용해된 금속 착물은 더 효율적으로 제거됩니다.
2. 입자 표면 활성화
   캐비테이션 마이크로제트와 충격파는 입자 표면을 지속적으로 침식하고 세정하며 거칠게 만듭니다. 이로 인해 새로운 광물상이 노출되고 유효 반응 면적이 증가합니다 – 이는 특히 난처리성 광석이나 코팅된 입자에서 중요합니다.
3. 부동태층 파괴
   귀금속을 함유한 많은 광물은 침출 중에 표면층(예: 산화물, 황산염, 원소 황 또는 실리카 막)을 형성합니다. 초음파는 이러한 장벽을 물리적으로 파괴하여 침출제가 그 아래의 금속상에 다시 접근할 수 있도록 합니다.
4. 다공성 고체 내부로의 침투 개선
   정광, 촉매 및 전자 폐기물 입자의 경우, 초음파는 액체를 기공과 미세 균열 안으로 밀어 넣어 내부에 포함된 귀금속에 대한 시약의 접근성을 개선합니다.

초음파 침출 및 기존 침출 후의 입도 분포
이미지 및 연구: © Canciani et al., 2024

응용 분야: 광석에서 도시광산까지

일차 자원과 이차 자원 모두에서 초음파 침출에 관한 연구가 점차 활발해지고 있습니다:

• 금과 은
  고출력 초음파는 물질 전달을 개선하고 부동태화 효과를 제거하여 시안화물 및 대체 침출제에서 금 침출을 가속하는 것으로 나타났습니다. 또한 광석과 산업 잔류물에서 은을 회수하는 데에도 활용됩니다.
• 백금족 금속(PGMs)
  백금, 팔라듐 및 로듐의 회수는 – 특히 폐촉매 변환기에서의 회수는 – 염화물 기반 또는 산성 침출 시스템에 의존하는 경우가 많습니다. 초음파는 표면 반응을 강화하고 복잡한 세라믹/금속 매트릭스의 분해를 개선하여 용해 속도를 높입니다.
• 전자 스크랩
  인쇄 회로 기판과 전자 부품에는 가치 있는 귀금속이 포함되어 있지만, 고분자, 산화물 및 다중 재료 구조로 인해 강한 확산 장벽이 존재합니다. 초음파 처리는 침출의 균일성을 개선하며 필요한 침출 시간을 줄일 수 있습니다.
• 석탄재에서 추출하는 희토류
  석탄재에는 가치 있는 금속과 희토류가 포함될 수 있으며, 이들은 광물상이나 유리질 알루미노규산염 매트릭스 내부에 결합되어 있는 경우가 많습니다. 초음파 처리는 재 입자와 침출 용액 사이의 접촉을 개선하여 추출 효율을 높이고 침출 시간을 단축할 수 있습니다.
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주요 공정 이점

공정 공학 관점에서 초음파 침출은 다음과 같은 여러 측정 가능한 이점을 제공합니다:

• 반응 속도 증가를 통한 침출 시간 단축
• 표면 접근성 개선을 통한 추출 수율 향상
• 많은 시스템에서 시약 소비량 감소(필요한 과잉 침출제의 양 감소)
• 분산 및 혼합 개선을 통한 재현성 향상
• 초음파가 느린 열적 반응 속도를 보완하므로 운전 온도를 낮출 가능성

공정 고려 사항 및 규모 확장

성공적인 초음파 침출은 공정 설계에 크게 좌우됩니다. 중요한 매개변수는 다음과 같습니다:

• 초음파 출력 밀도 및 진폭
• 슬러리 농도 및 입도 분포
• 반응기 형상 및 유동 조건
• 온도 제어
• 침출 화학계 선택(산성, 알칼리성, 염화물 등)

산업 규모로 구현하려면 프로브형 고출력 초음파 반응기가 필요하다는 점이 중요합니다. 초음파 수조는 일반적으로 고농도 침출 슬러리에 충분한 에너지를 전달하지 못하기 때문입니다. 인라인 초음파 플로우 셀은 연속 침출 회로에 통합할 수 있어 규모 확장이 가능한 운전을 지원합니다. Hielscher 고성능 초음파 처리기는 까다로운 조건에서 대용량을 처리하도록 제작되어, 침출된 금속의 수율을 높이는 동시에 처리 시간과 환경 영향을 줄입니다.

설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질

Hielscher 초음파 처리기는 최고 수준의 품질과 설계 기준으로 잘 알려져 있습니다. 견고함과 간편한 조작 덕분에 당사의 초음파 처리기를 산업 시설에 원활하게 통합할 수 있습니다. Hielscher 초음파 처리기는 가혹한 조건과 까다로운 환경에서도 손쉽게 작동합니다.

Hielscher Ultrasonics는 ISO 인증 기업으로, 최첨단 기술과 사용자 편의성을 갖춘 고성능 초음파 처리기에 특히 중점을 둡니다. 물론 Hielscher 초음파 처리기는 CE를 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.

문헌 / 참고 자료

• 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.