Retzemju elementu ultraskaņas izskalošana no pelniem

Ultraskaņas izskalošana var palielināt ekstrakcijas iznākumu un saīsināt apstrādes laiku, atdalot retzemju elementus no pelniem. Uzlabojot kontaktu starp pelnu daļiņām un izskalošanas līdzekļiem, jaudīgais ultraskaņas lauks paātrina šķīšanu un palīdz padarīt vērtīgos elementus vieglāk pieejamus. Pētījumi par ogļu lidojošajām pelnām liecina par šo potenciālu: pētnieki ziņoja par 97 % itrija izdalīšanos, savukārt atsevišķā pētījumā par galliju un vanādiju skābes izskalošanas laiks tika samazināts no 180 līdz 20 minūtēm.

Pelns kā retzemju elementu sekundārais resurss

Pelns ir daudzsološs retzemju elementu (REE) sekundārais resurss. Ogļu sadedzināšanas atliekas var saturēt itriju un citus retzemju elementus, kurus izmanto elektronikas, enerģētikas tehnoloģiju un modernu materiālu ražošanā. Šo elementu atgūšana no esošajām pelnu plūsmām un nogulumu krājumiem varētu dažādot izejvielu piegādes un pārvērst atkritumus par noderīgu izejvielu.
Iegūšanas potenciāls ir atkarīgs gan no elementu koncentrācijas, gan no to pieejamības. Pelnos var būt vērtīgi elementi, taču izskalošanas procesā no tiem var atbrīvoties tikai neliela daļa, ja apkārtējā minerālmatrica ierobežo reaģenta piekļuvi. Tādēļ pelnu sastāvs, priekšapstrāde un izskalošanas ķīmiskie procesi ir jāapsver kopā. Vairāku vērtīgu elementu atgūšana no viena un tā paša izejmateriāla var arī uzlabot procesa perspektīvas.
Ultraskaņas iedarbība izšķīdina pelnu daļiņas, padarot retzemes pieejamas izšķīdināšanas reaģentiem. Uzlabojot masas pārnesi starp daļiņām un reaģentu, ultraskaņas apstrāde palielina atgūstamību, vienlaikus saīsinot apstrādes laiku!

Kā ultraskaņa uzlabo pelnu izskalošanu

Jaudīgais ultraskaņas viļņi pastiprina cietvielu–šķidruma ekstrakciju, izmantojot akustisko kavitāciju. Šķidrumā veidojas un sabrūk mikroskopiski burbuļi, radot lokālus šķērsspēkus, mikrostrūklas un intensīvu sajaukšanos. Šie efekti var izkliedēt daļiņu aglomerātus, attīrīt atklātās virsmas un uzlabot izskalošanas vielu transportu uz reaģējošajām vietām. Izšķīdušās vielas tiek aizvadītas ātrāk, tādējādi palīdzot uzturēt izšķīšanu.

Pelnu apstrādē šīs parādības sniedz vairākas praktiskas priekšrocības:

• Ātrāka izskalošanās: Uzlabota vielu pārnese var saīsināt laiku, kas nepieciešams pieejamo metālu ekstrakcijai.
• Augstāks ekstrakcijas iznākums: Uzlabots kontakts ar virsmu var palīdzēt atbrīvot materiālu, kas, izmantojot parasto sajaukšanu, netiek pietiekami izskalots.
• Kombinācija ar priekšapstrādi: Ultraskaņa var pastiprināt izskalošanās posmu pēc tam, kad aktivizēšana ir padarījusi izturīgās fāzes vieglāk pieejamas.
• Elastīga procesu izstrāde: Ultraskaņas apstrādi var pielāgot atkarībā no skābes koncentrācijas, cieto vielu satura, temperatūras un apstrādes laika.

Pētījumu piemēri: augsta ražība un īsāks izskalošanās laiks

Turpmāk minētie pētījumi ilustrē šīs priekšrocības konkrētos eksperimentālos apstākļos. Itrijs ir retzemju elements; gallijs un vanādijs ir citi vērtīgi metāli. To ekstrakcija sniedz papildu pierādījumus par pelnu apstrādi ar ultraskaņu.

Itrijs un vanādijs: izdalīšanās līdz 97 % un 100 %

Masoum u.c. (2021) pētīja vanādija un itrija ekstrakciju no ogļu pelniem, izmantojot sērskābi, ūdeņraža peroksīdu un ultraskaņu. Pētnieki izmantoja atbildes virsmas metodiku, lai optimizētu cietvielas un šķidruma attiecību, kā arī sērskābes un ūdeņraža peroksīda proporcijas. Optimizētos apstākļos vanādija ekstrakcijas pakāpe sasniedza 100 %, bet itrija — 97 %.
Modificēts „sarūkošā kodola” modelis liecināja, ka reakcijas ātrumu nosaka masas difūzija. Šis secinājums uzsver transporta procesu nozīmi pētītajā sistēmā un pamato nepieciešamību procesa optimizācijas laikā pievērst uzmanību masas pārnesumam. Rezultāti liecina, ka, izmantojot kombinēto apstrādi, ir iespējams sasniegt augstu itrija izdalīšanās pakāpi, lai gan minētie iznākumi atspoguļo pilnīgu reaģentu un ultraskaņas sistēmas izmantošanu.

FESEM attēli ar neapstrādātām ogļu pelniem: (a) pirms ogļu pelnu izskalošanas, (b) pēc ultraskaņas izskalošanas.
Pētījums un attēli: ©Masoum et al., 2021

Galijs un vanādijs: 88,89 % īsāks izskalošanās laiks

Zhang u.c. (2026) pētīja ultraskaņas skābes izskalošanu pēc aktivācijas apdedzināšanas ar nātrija karbonātu. Optimizētā priekšapstrāde ietvēra apdedzināšanu 850 °C temperatūrā 60 minūtes, izmantojot lidojošo pelnu un Na₂CO₃ masas attiecību 2:1. Pēc tam veiktā ultraskaņas skābes izskalošana 20 minūšu laikā nodrošināja augstu gallija un vanādija izdalīšanos.

Laika samazinājums no 180 līdz 20 minūtēm atbilst par 88,89 % īsākam izskalošanas posmam. Kinētiskā analīze liecināja par palielinātām ātruma konstantēm un gan masas pārneses, gan starpslāņu reakciju procesu pastiprināšanos. Šie rezultāti liecina par iespēju apvienot aktivizējošo apdedzināšanu ar ultraskaņas izskalošanu. Laika ietaupījums attiecas uz izskalošanu; apdedzināšana joprojām ir papildu apstrādes posms.

Ultrasoniski uzlabota skābes izskalošanās darbojas divpadsmit reizes ātrāk nekā parastā skābes izskalošanās, pateicoties kavitācijas burbuļu labvēlīgajai mehāniskajai iedarbībai, kas plīst pie virsmas. Šī parādība uzlabo skābes šķīduma sajaukšanu, tādējādi uzlabojot transporta īpašības.
Attēls un pētījums: © Canciani et al., 2024

Izstrādājiet ultraskaņas izskalošanas procesu, kas nodrošina augstu retzemju elementu atgūstamību

Retzemes elementu ieguves praksē pēc izskalošanas seko izšķīdušo elementu atdalīšana un attīrīšana. Tādēļ augsta izskalošanas efektivitāte ir svarīgs starpposma rezultāts, nevis gatavā retzemes elementu produkta iznākums. Procesu novērtējumā jāiekļauj turpmākā atgūšana, reaģentu izmantošana un enerģija, kas nepieciešama gan priekšapstrādei, gan ultraskaņas apstrādei.
Uzņēmums „Hielscher“ piedāvā rūpnieciskas klases galda ultraskaņas iekārtas un augstas jaudas ultraskaņas plūsmas reaktorus, kas paredzēti intensificētu izskalošanas procesu izstrādei un ieviešanai. Iekārtu izvēle un izmēģinājumi ļauj noteikt piemērotu amplitūdu, cietvielu slodzi, uzturēšanās laiku un temperatūras kontroli konkrētajai pelnu šķirnei.
Vienkārša ražošanas apjoma palielināšana līdz lieliem apjomiem: Kad ir noteikti optimālas atgūšanas parametri, tos var lineāri palielināt, lai pielāgotos jebkuram komerciālajam izskalošanas apjomam.

SEM attēli daļiņām dažādos parastās (a–c) un ultraskaņas (d–f) izskalošanās laikos.
Attēls un pētījums: © Canciani et al., 2024

Literatūra / Atsauces