Ultrasone uitloging van zeldzame aardelementen uit as

Ultrasone uitloging kan de extractieopbrengsten verhogen en de verwerkingstijden verkorten bij de terugwinning van zeldzame aardelementen uit as. Door het contact tussen asdeeltjes en uitloogmiddelen te verbeteren, versnelt hoogvermogenultrageluid het oplossen en helpt het waardevolle elementen beter toegankelijk te maken. Studies naar steenkoolvliegas tonen het potentieel aan: onderzoekers rapporteerden een yttriumextractie van 97%, terwijl een afzonderlijke studie naar gallium en vanadium de zure uitloogtijd van 180 naar 20 minuten verkortte.

As als secundaire bron van zeldzame aardelementen

As vormt een veelbelovende secundaire bron van zeldzame aardelementen (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 asafzettingen terug te winnen, zou de grondstoffenvoorziening kunnen worden gediversifieerd en zou een afvalmateriaal in een bruikbare grondstof kunnen worden omgezet.
Het extractiepotentieel hangt af van zowel de concentratie van de elementen als hun toegankelijkheid. As kan waardevolle elementen bevatten, maar tijdens de uitloging slechts een beperkte fractie vrijgeven als de omringende minerale matrix de toegang voor reagentia beperkt. Daarom moeten de assamenstelling, de voorbehandeling en de uitloogchemie in samenhang worden beoordeeld. Het terugwinnen van meerdere waardevolle elementen uit dezelfde grondstof kan ook de vooruitzichten van een proces verbeteren.
Ultrasone uitloging fragmenteert asdeeltjes, waardoor zeldzame aardmetalen beschikbaar komen voor uitloogreagentia. Door de massaoverdracht tussen deeltjes en reagens te verbeteren, verhoogt sonicatie de terugwinning en verkort zij tegelijkertijd de verwerkingstijd!

Hoe ultrageluid de uitloging van as verbetert

Hoogvermogenultrageluid intensiveert de extractie uit vaste stoffen met vloeistoffen door akoestische cavitatie. In de vloeistof ontstaan microscopische bellen die imploderen en daarbij lokale afschuifkrachten, microjets en intensieve menging veroorzaken. Deze effecten kunnen deeltjesagglomeraten dispergeren, blootliggende oppervlakken reinigen en het transport van uitloogmiddelen naar reactieve plaatsen verbeteren. Opgeloste stoffen worden sneller afgevoerd, wat helpt het oplossen in stand te houden.

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

• Snellere uitloging: Verbeterde massaoverdracht kan de tijd verkorten die nodig is om toegankelijke metalen te extraheren.
• Hogere extractieopbrengsten: Verbeterd oppervlaktecontact kan helpen materiaal vrij te maken dat bij conventionele menging onvoldoende wordt uitgeloogd.
• Combinatie met voorbehandeling: Ultrageluid kan de uitloogfase intensiveren nadat activering moeilijk aantastbare fasen beter toegankelijk heeft gemaakt.
• Flexibele procesontwikkeling: Sonicatie kan worden ontwikkeld en afgestemd op uiteenlopende zuurconcentraties, gehalten aan vaste stoffen, temperaturen en behandelingstijden.

Onderzoeksvoorbeelden: hoge opbrengsten en kortere uitloogtijden

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

Yttrium en vanadium: tot 97% en 100% extractie

Masoum et al. (2021) onderzochten de extractie van vanadium en yttrium uit steenkoolvliegas met behulp van zwavelzuur, waterstofperoxide en ultrageluid. De onderzoekers pasten de responsoppervlakmethodologie toe om de verhouding tussen vaste stof en vloeistof en de hoeveelheidsverhoudingen van zwavelzuur en waterstofperoxide te optimaliseren. Onder de geoptimaliseerde omstandigheden bereikte de gerapporteerde extractie 100% voor vanadium en 97% voor yttrium.
Een aangepast model met een krimpende kern gaf aan dat massadiffusie de reactiesnelheid bepaalde. Deze bevinding benadrukt het belang van transportprocessen in het onderzochte systeem en ondersteunt het richten van procesoptimalisatie op massaoverdracht. De resultaten tonen aan dat met de gecombineerde behandeling een hoge yttriumextractie haalbaar is, hoewel de gerapporteerde opbrengsten betrekking hebben op het volledige systeem van reagentia en ultrageluid.

FESEM-beelden van onbehandelde steenkoolas: (a) links, vóór uitloging van de steenkoolas, (b) na ultrasone uitloging.
Studie en beelden: ©Masoum et al., 2021

Gallium en vanadium: 88,89% kortere uitloogtijd

Zhang et al. (2026) onderzochten ultrasone zure uitloging na een activerende roosterbehandeling met natriumcarbonaat. De geoptimaliseerde voorbehandeling bestond uit roosteren bij 850°C gedurende 60 minuten, met een massaverhouding van vliegas tot Na₂CO₃ van 2:1. De daaropvolgende ultrasone zure uitloging bereikte binnen 20 minuten een hoge extractie van gallium en vanadium.

De vermindering van 180 naar 20 minuten komt overeen met een 88,89% kortere uitloogfase. Kinetische analyse wees op verhoogde snelheidsconstanten en een verbetering van zowel de massaoverdracht als de reactieprocessen aan het grensvlak. Deze resultaten tonen het potentieel aan van de combinatie van activerend roosteren en ultrasone uitloging. De tijdsbesparing geldt voor de uitloging; roosteren blijft een aanvullende verwerkingsstap.

Door ultrageluid verbeterde zure uitloging verloopt met een snelheid die twaalf keer zo hoog is als die van conventionele zure uitloging, dankzij de gunstige mechanische werking van cavitatiebellen die dicht bij het oppervlak imploderen. Dit verschijnsel verbetert de menging van de zuuroplossing, waardoor de transporteigenschappen verbeteren.
Afbeelding en studie: © Canciani et al., 2024

Ontwikkel uw ultrasone uitloogproces voor een hoge terugwinning van zeldzame aardmetalen

Bij de praktische extractie van zeldzame aardmetalen wordt de uitloging gevolgd door scheiding en zuivering van de opgeloste elementen. Een hoge uitloogefficiëntie vormt daarom een belangrijk tussenresultaat, en geeft niet de opbrengst van een afgewerkt product met zeldzame aardmetalen weer. De procesevaluatie moet de terugwinning in vervolgstappen, het gebruik van reagentia en de energiebehoefte voor zowel voorbehandeling als sonicatie omvatten.
Hielscher biedt tafelmodelsonicators van industriële kwaliteit en ultrasone doorstroomreactoren voor zware toepassingen aan voor het ontwikkelen en uitvoeren van geïntensiveerde uitloogprocessen. Met apparatuurselectie en proeven kunnen een geschikte amplitude, een geschikt gehalte aan vaste stoffen, een geschikte verblijftijd en een geschikte temperatuurregeling voor een bepaalde as worden vastgesteld.
Eenvoudige opschaling naar grote volumes: Zodra de parameters voor optimale terugwinning zijn vastgesteld, kunnen deze lineair worden opgeschaald naar elk commercieel uitloogvolume.

SEM-beelden van deeltjes op verschillende tijdstippen tijdens conventionele (a–c) en ultrasone (d–f) uitloging.
Afbeelding en studie: © Canciani et al., 2024

Literatuur / Referenties

• 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.