Dārgmetālu izskalošana ar ultraskaņu

Lieljaudas ultraskaņa ir efektīva metode metālu, piemēram, dārgmetālu un retzemju elementu, ekstrahēšanai. Šis ar ultraskaņu veicinātais cietās un šķidrās fāzes ekstrakcijas process ir pazīstams kā sonoizskalošana, izskalošana vai mazgāšana. Izturīgas rūpnieciskās ultraskaņas iekārtas var viegli uzstādīt retzemju elementu izskalošanai no rūdām, kalnrūpniecības suspensiju apstrādei pilnīgākas atguves nodrošināšanai vai augstvērtīgu metālu (piemēram, Cu, Zn, Ni) atdalīšanai no mazāk vērtīgiem metāliem.

Izskalošana ar ultraskaņu veicina reakciju, uzlabojot masas pārnesi un šķīšanu, tādējādi īsākā ekstrakcijas laikā iegūstot lielāku iznākumu.
Galvenās izskalošanas ar ultraskaņu priekšrocības ir:

• lielāks iznākums
• pilnīgāka izskalošana
• samazināts reaģentu patēriņš
• saudzīgāki apstākļi
• vienkārša īstenojamības pārbaude
• lineāra mēroga palielināšana
• vienkārša pilna komerciālā mēroga ultraskaņas sistēmu uzstādīšana
• ļoti izturīgas ultraskaņas iekārtas liela tilpuma plūsmām

Dārgmetālu izskalošana ar ultraskaņu: ātrāka ekstrakcija, izmantojot kavitācijas ķīmiju

Dārgmetālu, piemēram, zelta, sudraba, platīna, pallādija un rodija, atguve ir mūsdienu metalurģijas un pārstrādes stūrakmens – jo īpaši rūdu, koncentrātu un otrreizējo resursu, piemēram, elektronisko iekārtu lūžņu un katalītisko neitralizatoru, apstrādē. Lai gan tradicionālā izskalošana ir labi nostiprinājusies praksē, to bieži ierobežo lēna masas pārnese, virsmas pasivācija, nepilnīga vērtīgo fāžu atbrīvošana un liels reaģentu patēriņš.
Izskalošana ar ultraskaņu novērš daudzus no šiem ierobežojumiem, ievadot augstas intensitātes ultraskaņu izskalošanas suspensijā un krasi paātrinot reakciju kinētiku ar parādību, ko sauc par akustisko kavitāciju.

Pamatmehānisms: akustiskā kavitācija

Ievadot lieljaudas ultraskaņas enerģiju šķidrumā, rodas mikroskopiski kavitācijas burbuļi, kas strauji veidojas un sabrūk. Šī sabrukšana rada ekstremālus lokālus apstākļus, tostarp:

• intensīvu mikrosajaukšanu un bīdes spēkus
• liela ātruma mikrostrūklas, kas vērstas pret cietām virsmām
• lokālus karstos punktus (ļoti augstu temperatūru un spiedienu mikrosekundes ilgos intervālos)

Lai gan šī iedarbība notiek mikroskopiskā mērogā, tā būtiski ietekmē makroskopisko izskalošanas procesu, nepārtraukti atjaunojot reaģējošo virsmu un paātrinot reaģentu transportu uz cietajām daļiņām un prom no tām.

Ar ultraskaņu pastiprināta izskalošana ar skābi norit divpadsmit reizes 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

Kāpēc ultraskaņa uzlabo dārgmetālu izskalošanu

Lielākajā daļā izskalošanas sistēmu ātrumu ierobežojošais posms ir nevis pati ķīmiskā reakcija, bet gan reaģentu transports caur robežslāņiem, porām vai pasivējošām virsmas plēvēm. Ultraskaņas kavitācija uzlabo izskalošanas efektivitāti ar vairākām sinerģiskām iedarbībām:

1. Uzlabota masas pārnese
   Ultraskaņa samazina nekustīgā difūzijas slāņa biezumu ap cietajām daļiņām. Tas ļauj izskalošanas reaģentiem (piemēram, cianīdam, tiosulfātam, hlorīdam, jodīdam, tiourīnvielai vai skābām sistēmām) ātrāk sasniegt metālu saturošo virsmu, vienlaikus efektīvāk aizvadot izšķīdušos metālu kompleksus.
2. Daļiņu virsmas aktivēšana
   Kavitācijas mikrostrūklas un triecienviļņi nepārtraukti erodē, attīra un padara raupjākas daļiņu virsmas. Tas atsedz svaigas minerālu fāzes un palielina efektīvo reaģējošās virsmas laukumu – tas ir īpaši svarīgi grūti pārstrādājamām rūdām vai daļiņām ar pārklājumu.
3. Pasivācijas slāņu noārdīšana
   Daudzi dārgmetālus saturoši minerāli izskalošanas laikā veido virsmas slāņus (piemēram, oksīdu, sulfātu, elementārā sēra vai silīcija dioksīda plēves). Ultraskaņa var fiziski noārdīt šīs barjeras, atjaunojot izskalošanas reaģenta piekļuvi zem tām esošajai metāla fāzei.
4. Uzlabota iekļūšana porainās cietvielās
   Koncentrātu, katalizatoru un elektronisko atkritumu daļiņu gadījumā ultraskaņa palīdz iespiest šķidrumu porās un mikroplaisās, uzlabojot reaģentu piekļuvi tajās ieslēgtajiem dārgmetāliem.

Daļiņu izmēru sadalījumi pēc izskalošanas ar ultraskaņu un tradicionālās izskalošanas
Attēls un pētījums: © Canciani et al., 2024

Pielietojumi: no rūdām līdz metālu ieguvei no pilsētvides atkritumiem

Izskalošana ar ultraskaņu tiek arvien plašāk pētīta gan primāro, gan otrreizējo resursu apstrādē:

• Zelts un sudrabs
  Ir pierādīts, ka lieljaudas ultraskaņa paātrina zelta izskalošanu cianīda šķīdumos un alternatīvos izskalošanas līdzekļos, uzlabojot pārnesi un novēršot pasivācijas ietekmi. Tā ir nozīmīga arī sudraba atguvei no rūdām un rūpnieciskajiem atlikumiem.
• Platīna grupas metāli (PGMs)
  Platīna, pallādija un rodija atguve – jo īpaši no nolietotiem katalītiskajiem neitralizatoriem – bieži balstās uz hlorīdu vai skābām izskalošanas sistēmām. Ultraskaņa paātrina šķīšanas kinētiku, pastiprinot virsmas reakcijas un uzlabojot sarežģītu keramikas/metāla matricu noārdīšanu.
• Elektronisko iekārtu lūžņi
  Iespiedshēmu plates un elektroniskie komponenti satur vērtīgus dārgmetālus, taču polimēri, oksīdi un vairāku materiālu struktūras rada spēcīgas difūzijas barjeras. Apstrāde ar ultraskaņu uzlabo izskalošanas vienmērīgumu un var samazināt nepieciešamo izskalošanas laiku.
• Retzemju elementi no ogļu pelniem
  Ogļu pelni var saturēt vērtīgus metālus un retzemju elementus, kas bieži ir saistīti minerālu fāzēs vai stiklveida aluminosilikātu matricā. Apstrāde ar ultraskaņu uzlabo kontaktu starp pelnu daļiņām un izskalošanas šķīdumu, kas var uzlabot ekstrakcijas efektivitāti un saīsināt izskalošanas laiku.
  Lasiet vairāk par retzemju elementu izskalošanu no pelniem ar ultraskaņu!

Galvenās procesa priekšrocības

No procesu inženierijas viedokļa izskalošana ar ultraskaņu piedāvā vairākus izmērāmus ieguvumus:

• īsāks izskalošanas laiks paātrinātas kinētikas dēļ
• lielāks ekstrakcijas iznākums, pateicoties uzlabotai piekļuvei virsmai
• mazāks reaģentu patēriņš daudzās sistēmās (nepieciešams mazāks izskalošanas reaģenta pārākums)
• uzlabota reproducējamība, pateicoties labākai disperģēšanai un sajaukšanai
• potenciāli zemāka darba temperatūra, jo ultraskaņa kompensē lēnāku termisko kinētiku

Procesa apsvērumi un mēroga palielināšana

Sekmīga izskalošana ar ultraskaņu ir ļoti atkarīga no procesa projektēšanas. Būtiskākie parametri ietver:

• ultraskaņas jaudas blīvumu un amplitūdu
• suspensijas koncentrāciju un daļiņu izmēru sadalījumu
• reaktora ģeometriju un plūsmas apstākļus
• temperatūras kontroli
• izskalošanas ķīmiskās sistēmas izvēli (skāba, sārmaina, hlorīdu utt.)

Būtiski, ka ieviešanai rūpnieciskā mērogā ir nepieciešami lieljaudas ultraskaņas reaktori ar zondi, jo ultraskaņas vannas parasti nenodrošina pietiekamu enerģijas ievadīšanu blīvās izskalošanas suspensijās. Caurplūdes ultraskaņas plūsmas šūnas var integrēt nepārtrauktos izskalošanas kontūros, ļaujot palielināt darbības mērogu. Hielscher augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtas ir paredzētas lielu tilpumu apstrādei prasīgos apstākļos – palielinot izskaloto metālu iznākumu, vienlaikus samazinot apstrādes laiku un ietekmi uz vidi.

Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte

Hielscher ultraskaņas iekārtas ir plaši pazīstamas ar visaugstākajiem kvalitātes un projektēšanas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj mūsu ultraskaņas iekārtas netraucēti integrēt rūpnieciskajās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas iekārtas viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.

Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtām ar vismodernākajām tehnoloģijām un ērtu lietošanu. Protams, Hielscher ultraskaņas iekārtas atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.

Literatūra / atsauces

• 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.