Ultrasone uitloging van edelmetalen

Krachtig ultrageluid is een doeltreffende techniek om metalen zoals edelmetalen en zeldzame aardmetalen te extraheren. Dit proces van ultrasoon ondersteunde vast-vloeistofextractie staat bekend als sono-uitloging, lixiviatie of wassen. Robuuste industriële sonicators kunnen eenvoudig worden geïnstalleerd om zeldzame aardmetalen uit ertsen uit te logen, mijnbouwslurries te behandelen voor een vollediger terugwinning of hoogwaardige metalen (bijv. Cu, Zn, Ni) te scheiden van minder waardevolle metalen.

Ultrasone uitloging bevordert de reactie door massaoverdracht en oplossing, zodat hogere opbrengsten worden verkregen in een kortere extractietijd.
De belangrijkste voordelen van ultrasone uitloging zijn:

• hogere opbrengst
• volledigere uitloging
• lager reagensverbruik
• mildere omstandigheden
• eenvoudige haalbaarheidstests
• lineaire opschaling
• eenvoudige installatie van ultrasone systemen op volledige commerciële schaal
• zeer robuuste sonicators voor stromen met grote volumes

Ultrasone uitloging van edelmetalen: snellere extractie door cavitatiechemie

De terugwinning van edelmetalen zoals goud, zilver, platina, palladium en rodium is een hoeksteen van de moderne metallurgie en recycling – vooral bij de verwerking van ertsen, concentraten en secundaire grondstoffen zoals elektronisch schroot en uitlaatkatalysatoren. Hoewel conventionele uitloging een gevestigde techniek is, wordt deze vaak beperkt door trage massaoverdracht, oppervlaktepassivering, onvolledige vrijmaking van waardevolle fasen en een hoog reagensverbruik.
Ultrasone uitloging pakt veel van deze knelpunten aan door ultrageluid met hoge intensiteit in de uitloogslurry te brengen, waardoor de reactiekinetiek aanzienlijk wordt geïntensiveerd via een verschijnsel dat bekendstaat als akoestische cavitatie.

Het kernmechanisme: akoestische cavitatie

Wanneer ultrageluid met hoog vermogen in een vloeistof wordt gekoppeld, ontstaan microscopische cavitatiebellen die zich snel vormen en imploderen. Deze implosie veroorzaakt extreme lokale omstandigheden, waaronder:

• intense micromenging en afschuifkrachten
• microjets met hoge snelheid, gericht op vaste oppervlakken
• lokale hotspots (zeer hoge temperaturen en drukken gedurende microseconden)

Hoewel deze effecten op microscopische schaal optreden, beïnvloeden ze het macroscopische uitloogproces sterk door het reactieve oppervlak voortdurend te vernieuwen en het transport van reagentia naar en van de vaste deeltjes te versnellen.

Ultrasoon versterkte zure uitloging verloopt twaalf keer sneller dan conventionele zure uitloging, dankzij de gunstige mechanische werking van cavitatiebellen die dicht bij het oppervlak uiteenspatten. Dit verschijnsel verbetert de menging van de zure oplossing en daarmee de transporteigenschappen.
Afbeelding en onderzoek: © Canciani et al., 2024

Waarom ultrageluid de uitloging van edelmetalen verbetert

In de meeste uitloogsystemen is de snelheidsbepalende stap niet de chemische reactie zelf, maar het transport van reactanten door grenslagen, poriën of passiverende oppervlaktefilms. Ultrasone cavitatie verbetert de uitloogefficiëntie door verschillende synergetische effecten:

1. Verbeterde massaoverdracht
   Ultrageluid vermindert de dikte van de stilstaande diffusielaag rond vaste deeltjes. Hierdoor kunnen uitloogmiddelen (bijv. cyanide, thiosulfaat, chloride, jodide, thioureum of zure systemen) het metaalhoudende oppervlak sneller bereiken, terwijl opgeloste metaalcomplexen efficiënter worden afgevoerd.
2. Activering van deeltjesoppervlakken
   Microjets en schokgolven door cavitatie eroderen, reinigen en verruwen deeltjesoppervlakken voortdurend. Hierdoor komen verse minerale fasen bloot te liggen en neemt het effectieve reactieve oppervlak toe – vooral belangrijk bij moeilijk uitloogbare ertsen of gecoate deeltjes.
3. Doorbreken van passiveringslagen
   Veel edelmetaalhoudende mineralen vormen tijdens het uitlogen oppervlaktelagen (bijv. oxiden, sulfaten, elementaire zwavel of silicafilms). Ultrageluid kan deze barrières fysiek doorbreken, waardoor het uitloogmiddel weer toegang krijgt tot de onderliggende metaalfase.
4. Verbeterde penetratie in poreuze vaste stoffen
   Bij concentraten, katalysatoren en deeltjes uit elektronisch afval helpt ultrageluid vloeistof in poriën en microscheuren te dringen, waardoor reagentia beter toegang krijgen tot ingesloten edelmetalen.

Deeltjesgrootteverdelingen na ultrasone en conventionele uitloging
Afbeelding en onderzoek: © Canciani et al., 2024

Toepassingen: van ertsen tot urban mining

Ultrasone uitloging wordt steeds vaker onderzocht voor zowel primaire als secundaire grondstoffen:

• Goud en zilver
  Er is aangetoond dat krachtig ultrageluid de uitloging van goud in cyanide en alternatieve uitloogmiddelen versnelt door het transport te verbeteren en passiveringseffecten weg te nemen. Het is ook relevant voor de terugwinning van zilver uit ertsen en industriële residuen.
• Metalen uit de platinagroep (PGM’s)
  De terugwinning van platina, palladium en rodium – vooral uit gebruikte uitlaatkatalysatoren – berust vaak op uitloogsystemen op basis van chloride of zuur. Ultrageluid verbetert de oplossingskinetiek door oppervlaktereacties te intensiveren en de afbraak van complexe keramiek-/metaalmatrices te verbeteren.
• Elektronisch schroot
  Printplaten en elektronische componenten bevatten waardevolle edelmetalen, maar vormen sterke diffusiebarrières door polymeren, oxiden en structuren van meerdere materialen. Ultrasone behandeling verbetert de gelijkmatigheid van de uitloging en kan de benodigde uitloogtijd verkorten.
• Zeldzame aardmetalen uit steenkoolas
  Steenkoolas kan waardevolle metalen en zeldzame aardmetalen bevatten, die vaak gebonden zijn in minerale fasen of een glasachtige aluminosilicaatmatrix. Ultrasone behandeling verbetert het contact tussen asdeeltjes en de uitloogoplossing, wat de extractie-efficiëntie kan verhogen en de uitloogtijd kan verkorten.
  Lees meer over ultrasone uitloging van zeldzame aardmetalen uit as!

Belangrijkste procesvoordelen

Vanuit procestechnisch oogpunt biedt ultrasone uitloging verschillende meetbare voordelen:

• kortere uitloogtijden door versnelde kinetiek
• hogere extractieopbrengsten door betere toegang tot het oppervlak
• lager reagensverbruik in veel systemen (minder overmaat aan uitloogmiddel nodig)
• verbeterde reproduceerbaarheid door betere dispersie en menging
• mogelijk een lagere bedrijfstemperatuur doordat ultrageluid tragere thermische kinetiek compenseert

Procesoverwegingen en opschaling

Succesvolle ultrasone uitloging hangt sterk af van het procesontwerp. Kritische parameters zijn onder meer:

• vermogensdichtheid en amplitude van het ultrageluid
• slurryconcentratie en deeltjesgrootteverdeling
• reactorgeometrie en stromingsomstandigheden
• temperatuurregeling
• keuze van de uitloogchemie (zuur, alkalisch, chloride enz.)

Belangrijk is dat toepassing op industriële schaal ultrasone reactoren met hoog vermogen en een sonotrode vereist, aangezien ultrasoonbaden doorgaans onvoldoende energie in dichte uitloogslurries overbrengen. Inline ultrasone doorstroomcellen kunnen in continue uitloogcircuits worden geïntegreerd, waardoor schaalbare werking mogelijk wordt. De sonicators van Hielscher met hoge prestaties zijn gebouwd om grote volumes onder veeleisende omstandigheden te verwerken – waardoor de opbrengsten aan uitgeloogde metalen toenemen terwijl de verwerkingstijd en de milieubelasting afnemen.

Ontwerp, productie en advies – kwaliteit Made in Germany

De sonicators van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze sonicators in industriële installaties mogelijk. De sonicators van Hielscher kunnen zware omstandigheden en veeleisende omgevingen met gemak aan.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op sonicators met hoge prestaties met de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard voldoen de sonicators van Hielscher aan de CE-voorschriften en aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

Literatuur / Referenties

• 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.