Ultrasoon uitlogen van zeldzame aardmetalen uit as

Ultrasoon uitlogen kan de extractieopbrengsten verhogen en de verwerkingstijden verkorten bij het terugwinnen van zeldzame aardmetalen uit as. Door het contact tussen asdeeltjes en uitloogmiddelen te verbeteren, versnelt krachtige ultrasone trillingen het oplossen en helpt het waardevolle elementen beter toegankelijk te maken. Studies naar vliegas uit steenkool tonen het potentieel aan: onderzoekers rapporteerden een yttrium-extractie van 97%, terwijl in een afzonderlijk onderzoek naar gallium en vanadium de tijd voor zuuruitloging werd teruggebracht van 180 naar 20 minuten.

As als secundaire grondstof voor zeldzame aardmetalen

As vormt een veelbelovende secundaire bron van zeldzame aardmetalen (REE’s). Reststoffen van steenkoolverbranding kunnen yttrium en andere zeldzame aardmetalen bevatten die worden gebruikt in elektronica, energietechnologieën en geavanceerde materialen. Door deze elementen uit bestaande asstromen en -afzettingen terug te winnen, kan de grondstoffenvoorziening worden gediversifieerd en kan afvalmateriaal worden omgezet in een bruikbare grondstof.
Het extractiepotentieel hangt zowel af van de concentratie van de elementen als van hun toegankelijkheid. As kan weliswaar waardevolle elementen bevatten, maar tijdens het uitlogen slechts een beperkt deel daarvan vrijgeven als de omringende minerale matrix de toegang voor reagentia belemmert. Daarom moeten de samenstelling van de as, de voorbehandeling en de chemische processen bij het uitlogen in onderling verband worden bekeken. Het terugwinnen van meerdere waardevolle elementen uit hetzelfde uitgangsmateriaal kan de vooruitzichten van een proces eveneens verbeteren.
Door middel van ultrasoon uitlogen worden asdeeltjes in fragmenten gebroken, waardoor zeldzame aardmetalen beschikbaar komen voor de uitloogmiddelen. Door de massaoverdracht tussen de deeltjes en het uitloogmiddel te verbeteren, verhoogt ultrasoonbehandeling de opbrengst en verkort het tegelijkertijd de verwerkingstijd!

Hoe ultrasone golven het uitlogen van as verbeteren

Krachtige ultrasone golven versterken de vast-vloeistof-extractie door middel van akoestische cavitatie. In de vloeistof ontstaan microscopisch kleine belletjes die vervolgens instorten, waardoor lokale schuifkrachten, microstralen en intensieve vermenging ontstaan. Deze effecten kunnen deeltjesagglomeraten verspreiden, blootliggende oppervlakken reinigen en het transport van uitloogmiddelen naar reactieve plaatsen verbeteren. Opgeloste stoffen worden sneller afgevoerd, wat het oplossen in stand helpt houden.

Bij de verwerking van as bieden deze effecten verschillende praktische voordelen:

• Snellere uitloging: Een verbeterde massaoverdracht kan de tijd verkorten die nodig is om toegankelijke metalen te winnen.
• Hogere opbrengsten bij de extractie: Een beter contact met het oppervlak kan helpen om materiaal vrij te maken dat bij conventioneel mengen onvoldoende is uitgeloogd.
• Combinatie met voorbehandeling: Echografie kan de uitlogingsfase versterken nadat de activering ervoor heeft gezorgd dat de resistente fasen beter toegankelijk zijn geworden.
• Flexibele procesontwikkeling: Ultrasone behandeling kan worden aangepast aan verschillende zuurconcentraties, vaste-stofgehaltes, temperaturen en behandelingstijden.

Onderzoeksvoorbeelden: hoge opbrengsten en kortere uitspoeltijden

De volgende onderzoeken illustreren deze voordelen onder specifieke experimentele omstandigheden. Yttrium is een zeldzaam-aardmetaal; gallium en vanadium zijn andere waardevolle metalen. Hun winning levert aanvullend bewijs voor de ultrasone verwerking van as.

Yttrium en vanadium: tot 97% en 100% terugwinning

Masoum et al. (2021) hebben onderzoek gedaan naar de extractie van vanadium en yttrium uit steenkoolvliegas met behulp van zwavelzuur, waterstofperoxide en ultrasone trillingen. De onderzoekers pasten de responsoppervlakmethodologie toe om de verhouding tussen vaste stof en vloeistof en de verhoudingen van zwavelzuur en waterstofperoxide te optimaliseren. Onder de geoptimaliseerde omstandigheden bedroeg de gerapporteerde extractie 100% voor vanadium en 97% voor yttrium.
Een aangepast model met krimpende kern wees uit dat de reactiesnelheid werd bepaald door massadiffusie. Deze bevinding onderstreept het belang van transportprocessen in het onderzochte systeem en pleit ervoor om bij procesoptimalisatie de nadruk te leggen op massaoverdracht. De resultaten tonen aan dat met de gecombineerde behandeling een hoge yttrium-extractie haalbaar is, hoewel de gerapporteerde opbrengsten betrekking hebben op het volledige reagens- en ultrasone systeem.

FESEM-beelden van ruwe steenkoolas: (a) links vóór het uitlogen van de steenkoolas, (b) na het uitlogen met ultrasone golven.
Onderzoek en afbeeldingen: ©Masoum et al., 2021

Gallium en vanadium: 88,89% kortere uitloogtijd

Zhang et al. (2026) hebben onderzoek gedaan naar ultrasone zuuruitloging na activeringsroosten met natriumcarbonaat. De geoptimaliseerde voorbehandeling bestond uit roosten bij 850 °C gedurende 60 minuten, waarbij een massaverhouding tussen vliegas en Na₂CO₃ van 2:1 werd gehanteerd. De daaropvolgende ultrasone zuuruitloging leidde binnen 20 minuten tot een hoge extractie van gallium en vanadium.

De verkorting van 180 naar 20 minuten komt overeen met een 88,89% kortere uitloogfase. Uit kinetische analyse bleek dat de snelheidsconstanten waren toegenomen en dat zowel de massaoverdracht als de reactieprocessen aan het grensvlak waren verbeterd. Deze resultaten tonen het potentieel aan van het combineren van activeringsroosten met ultrasone uitloging. De tijdwinst geldt voor het uitlogen; het roosteren blijft een extra verwerkingsstap.

Ultrasoon versterkt uitlogen met zuur werkt twaalf keer sneller dan conventioneel uitlogen met zuur, door de gunstige mechanische werking van cavitatiebelletjes die dicht bij het oppervlak barsten. Dit fenomeen verbetert het mengen van de zuuroplossing, waardoor de transporteigenschappen verbeteren.
Afbeelding en studie: © Canciani et al., 2024

Ontwikkel uw ultrasoon uitloogproces voor een hoge terugwinning van zeldzame aardmetalen

Bij de praktische winning van zeldzame aardmetalen volgt na het uitlogen de scheiding en zuivering van de opgeloste elementen. Een hoge uitloogefficiëntie is daarom eerder een belangrijk tussentijds resultaat dan de opbrengst van een afgewerkt zeldzame-aardmetalenproduct. Bij de evaluatie van het proces moet rekening worden gehouden met de terugwinning in de verdere verwerkingsstappen, het gebruik van reagentia en de energie die nodig is voor zowel de voorbehandeling als de ultrasone behandeling.
Hielscher biedt ultrasone apparaten van industriële kwaliteit voor laboratoriumgebruik en robuuste ultrasone stromingsreactoren voor het ontwikkelen en implementeren van geïntensiveerde uitloogprocessen. Door middel van apparatuurkeuze en proeven kunnen de geschikte amplitude, de hoeveelheid vaste stoffen, de verblijftijd en de temperatuurregeling voor een bepaalde as worden vastgesteld.
Eenvoudige opschaling naar grote volumes: Zodra de parameters voor een optimaal terugwinning zijn vastgesteld, kunnen deze vervolgens lineair worden opgeschaald naar elk commercieel uitloogvolume.

SEM-afbeeldingen van deeltjes op verschillende tijdstippen van conventioneel (a-c) en ultrasoon (d-f) uitlogen.
Afbeelding en studie: © Canciani et al., 2024

Literatuur / Referenties