Retzemju elementu izskalošana no pelniem ar ultraskaņu

Izskalošana ar ultraskaņu var palielināt ekstrakcijas iznākumu un saīsināt apstrādes laiku, atgūstot retzemju elementus no pelniem. Uzlabojot saskari starp pelnu daļiņām un izskalošanas reaģentiem, lieljaudas ultraskaņa paātrina šķīšanu un palīdz padarīt vērtīgos elementus pieejamākus. Pētījumi par akmeņogļu lidojošajiem pelniem apliecina šīs metodes potenciālu: pētnieki ziņoja par 97% itrija ekstrakciju, savukārt atsevišķā pētījumā par galliju un vanādiju izskalošanas laiks ar skābi tika samazināts no 180 līdz 20 minūtēm.

Pelni kā retzemju elementu sekundārais resurss

Pelni ir daudzsološs retzemju elementu (REE) sekundārais resurss. Akmeņogļu sadegšanas atlikumi var saturēt itriju un citus retzemju elementus, ko izmanto elektronikā, enerģētikas tehnoloģijās un progresīvos materiālos. Šo elementu atgūšana no esošajām pelnu plūsmām un uzkrājumiem varētu dažādot izejvielu piegādi un pārvērst apglabāšanai paredzētu materiālu noderīgā izejvielā.
Ekstrakcijas potenciāls ir atkarīgs gan no elementu koncentrācijas, gan no to pieejamības. Pelni var saturēt vērtīgus elementus, tomēr izskalošanas laikā izdalīt tikai ierobežotu to daļu, ja apkārtējā minerālu matrica ierobežo reaģentu piekļuvi. Tādēļ pelnu sastāvs, priekšapstrāde un izskalošanas ķīmiskie apstākļi jāizvērtē kopā. Vairāku vērtīgu elementu atgūšana no vienas un tās pašas izejvielas var arī uzlabot procesa perspektīvas.
Izskalošana ar ultraskaņu sadrumstalo pelnu daļiņas, padarot retzemju elementus pieejamus izskalošanas reaģentiem. Uzlabojot masas pārnesi starp daļiņām un reaģentu, apstrāde ar ultraskaņu palielina atgūšanu, vienlaikus saīsinot apstrādes laiku!

Kā ultraskaņa uzlabo pelnu izskalošanu

Lieljaudas ultraskaņa intensificē ekstrakciju cietās vielas–šķidruma sistēmā, izraisot akustisko kavitāciju. Šķidrumā veidojas un sabrūk mikroskopiski burbulīši, radot lokālus bīdes spēkus, mikrostrūklas un intensīvu sajaukšanos. Šī iedarbība var izkliedēt daļiņu aglomerātus, attīrīt atsegtās virsmas un uzlabot izskalošanas reaģentu pārnesi uz reakcijas vietām. Izšķīdušās vielas tiek ātrāk aizvadītas, palīdzot uzturēt šķīšanu.

Pelnu apstrādē šī iedarbība sniedz vairākas praktiskas priekšrocības:

• Ātrāka izskalošana: Uzlabota masas pārnese var saīsināt laiku, kas nepieciešams pieejamo metālu ekstrakcijai.
• Lielāks ekstrakcijas iznākums: Uzlabota saskare ar virsmu var palīdzēt atbrīvot materiālu, kas parastās maisīšanas apstākļos paliek nepietiekami izskalots.
• Apvienošana ar priekšapstrādi: Ultraskaņa var intensificēt izskalošanas posmu pēc tam, kad aktivēšana ir padarījusi noturīgās fāzes pieejamākas.
• Elastīga procesa izstrāde: Apstrādes procesu ar ultraskaņu var izstrādāt, pielāgojot to dažādām skābes koncentrācijām, cietās fāzes saturam, temperatūrām un apstrādes ilgumiem.

Pētījumu piemēri: liels iznākums un īsāks izskalošanas 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: ekstrakcija līdz 97% un 100%

Masoum et al. (2021) pētīja vanādija un itrija ekstrakciju no akmeņogļu vieglajiem pelniem, izmantojot sērskābi, ūdeņraža peroksīdu un ultraskaņu. Pētnieki izmantoja atbildes virsmas metodoloģiju, lai optimizētu cietās un šķidrās fāzes attiecību un sērskābes un ūdeņraža peroksīda proporcijas. Optimizētajos apstākļos ziņotais ekstrakcijas iznākums sasniedza 100% vanādijam un 97% itrijam.
Modificēts sarūkošā kodola modelis norādīja, ka reakcijas ātrumu noteica masas difūzija. Šis konstatējums uzsver pārneses procesu nozīmi pētītajā sistēmā un pamato koncentrēšanos uz masas pārnesi procesa optimizācijas laikā. Rezultāti parāda, ka ar kombinēto apstrādi var sasniegt augstu itrija ekstrakcijas iznākumu, lai gan ziņotie iznākumi atspoguļo visas reaģentu un ultraskaņas sistēmas kopējo iedarbību.

Neapstrādātu akmeņogļu pelnu FESEM attēli: (a) pa kreisi – pirms pelnu izskalošanas, (b) pēc izskalošanas ar ultraskaņu.
Pētījums un attēli: ©Masoum et al., 2021

Gallijs un vanādijs: par 88,89% īsāks izskalošanas laiks

Zhang et al. (2026) pētīja izskalošanu ar skābi ultraskaņas iedarbībā pēc aktivējošās apdedzināšanas ar nātrija karbonātu. Optimizētā priekšapstrāde ietvēra apdedzināšanu 850°C temperatūrā 60 minūtes, izmantojot vieglo pelnu un Na₂CO₃ masas attiecību 2:1. Turpmākā izskalošana ar skābi ultraskaņas iedarbībā nodrošināja augstu gallija un vanādija ekstrakcijas iznākumu 20 minūšu laikā.

Samazinājums no 180 līdz 20 minūtēm atbilst par 88,89% īsākam izskalošanas posmam. Kinētiskā analīze norādīja uz lielākām reakcijas ātruma konstantēm un gan masas pārneses, gan starpfāžu reakcijas procesu pastiprināšanos. Šie rezultāti parāda aktivējošās apdedzināšanas un izskalošanas ar ultraskaņu apvienošanas potenciālu. Laika ietaupījums attiecas uz izskalošanu; apdedzināšana joprojām ir papildu apstrādes posms.

Ar ultraskaņu pastiprināta izskalošana ar skābi noris divpadsmit reižu ātrāk nekā tradicionālā izskalošana ar skābi, pateicoties pie virsmas sabrūkošo kavitācijas burbuļu labvēlīgajai mehāniskajai iedarbībai. Šī parādība uzlabo skābes šķīduma sajaukšanos, tādējādi uzlabojot pārneses īpašības.
Attēls un pētījums: © Canciani et al., 2024

Izstrādājiet savu izskalošanas procesu ar ultraskaņu augstai retzemju elementu atgūšanas pakāpei

Praktiskā retzemju elementu ekstrakcijas procesā pēc izskalošanas seko izšķīdušo elementu atdalīšana un attīrīšana. Tādēļ augsta izskalošanas efektivitāte ir svarīgs starprezultāts, nevis gatava retzemju elementu produkta iznākums. Procesa novērtējumā jāiekļauj atgūšana turpmākajos posmos, reaģentu patēriņš un enerģija, kas nepieciešama gan priekšapstrādei, gan apstrādei ar ultraskaņu.
Hielscher piedāvā rūpnieciskās klases galda sonikatorus un intensīvai slodzei paredzētus ultraskaņas plūsmas reaktorus intensificētu izskalošanas procesu izstrādei un ieviešanai. Iekārtu izvēle un izmēģinājumi ļauj noteikt konkrētajiem pelniem piemērotu amplitūdu, cietās fāzes saturu, uzturēšanās laiku un temperatūras kontroli.
Vienkārša mēroga palielināšana līdz lieliem tilpumiem: Kad optimālai atgūšanai piemērotie parametri ir noteikti, procesu var lineāri mērogot līdz jebkuram komerciālas izskalošanas tilpumam.

Daļiņu SEM attēli dažādos tradicionālās izskalošanas (a–c) un izskalošanas ar ultraskaņu (d–f) laikos.
Attēls un pētījums: © Canciani et al., 2024

Literatūra / Atsauces

• 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.