Ultradźwiękowe ługowanie pierwiastków ziem rzadkich z popiołów
Ługowanie ultradźwiękowe może zwiększyć wydajność ekstrakcji i skrócić czas przetwarzania podczas odzyskiwania pierwiastków ziem rzadkich z popiołu. Poprawiając kontakt między cząstkami popiołu a czynnikami ługującymi, ultradźwięki dużej mocy przyspieszają rozpuszczanie i pomagają zwiększyć dostępność cennych pierwiastków. Badania nad popiołem lotnym ze spalania węgla pokazują ten potencjał: badacze uzyskali 97% ekstrakcji itru, natomiast w odrębnym badaniu dotyczącym galu i wanadu skrócono czas ługowania kwasowego ze 180 do 20 minut.
Popiół jako surowiec wtórny do pozyskiwania pierwiastków ziem rzadkich
Popioły stanowią obiecujący surowiec wtórny do pozyskiwania pierwiastków ziem rzadkich (REE). Pozostałości ze spalania węgla mogą zawierać itr i inne pierwiastki ziem rzadkich wykorzystywane w elektronice, technologiach energetycznych i zaawansowanych materiałach. Odzyskiwanie tych pierwiastków z istniejących strumieni i nagromadzeń popiołu mogłoby zdywersyfikować dostawy surowców i przekształcić materiał przeznaczony do utylizacji w użyteczny surowiec do przetwarzania.
Potencjał ekstrakcji zależy zarówno od stężenia pierwiastków, jak i ich dostępności. Popiół może zawierać cenne pierwiastki, lecz uwalniać tylko ograniczoną ich część podczas ługowania, jeśli otaczająca matryca mineralna ogranicza dostęp odczynników. Dlatego skład popiołu, obróbkę wstępną i chemię ługowania należy rozpatrywać łącznie. Odzyskiwanie kilku cennych pierwiastków z tego samego surowca może również poprawić perspektywy danego procesu.
Ługowanie ultradźwiękowe rozdrabnia cząstki popiołu, udostępniając pierwiastki ziem rzadkich odczynnikom ługującym. Poprawiając transport masy między cząstkami a odczynnikiem, sonikacja zwiększa odzysk, jednocześnie skracając czas przetwarzania!
Przemysłowa instalacja sonikatorów Hielscher: zespół sonikatorów o mocy 48kW do ługowania pierwiastków ziem rzadkich z popiołów węglowych w linii procesowej
Jak ultradźwięki usprawniają ługowanie popiołu
Ultradźwięki dużej mocy intensyfikują ekstrakcję w układzie ciało stałe–ciecz poprzez kawitację akustyczną. W cieczy powstają i zapadają się mikroskopijne pęcherzyki, wytwarzając lokalne siły ścinające, mikrostrugi i intensywne mieszanie. Efekty te mogą rozpraszać aglomeraty cząstek, oczyszczać odsłonięte powierzchnie i poprawiać transport czynników ługujących do miejsc reaktywnych. Rozpuszczone substancje są szybciej odprowadzane, co pomaga podtrzymywać rozpuszczanie.
W przetwarzaniu popiołu efekty te zapewniają kilka praktycznych korzyści:
- Szybsze ługowanie: Intensywniejszy transport masy może skrócić czas potrzebny do ekstrakcji dostępnych metali.
- Wyższa wydajność ekstrakcji: Lepszy kontakt z powierzchnią może pomóc uwolnić materiał, który przy konwencjonalnym mieszaniu pozostaje niedostatecznie wyługowany.
- Połączenie z obróbką wstępną: Ultradźwięki mogą intensyfikować etap ługowania po zwiększeniu dostępności odpornych faz poprzez aktywację.
- Elastyczne opracowywanie procesu: Proces sonikacji można opracowywać i dostosowywać do zmiennego stężenia kwasu, zawartości fazy stałej, temperatury i czasu obróbki.
Przykłady badań: wysoka wydajność i krótszy czas ługowania
Poniższe badania ilustrują te korzyści w określonych warunkach doświadczalnych. Itr jest pierwiastkiem ziem rzadkich; gal i wanad to inne cenne metale. Ich ekstrakcja dostarcza uzupełniających dowodów na skuteczność ultradźwiękowego przetwarzania popiołu.
Itr i wanad: ekstrakcja do 97% i 100%
Masoum i in. (2021) badali ekstrakcję wanadu i itru z popiołu lotnego ze spalania węgla przy użyciu kwasu siarkowego, nadtlenku wodoru i ultradźwięków. Badacze zastosowali metodologię powierzchni odpowiedzi do optymalizacji stosunku fazy stałej do cieczy oraz proporcji kwasu siarkowego i nadtlenku wodoru. W zoptymalizowanych warunkach odnotowana ekstrakcja osiągnęła 100% dla wanadu i 97% dla itru.
Zmodyfikowany model kurczącego się rdzenia wskazał, że szybkość reakcji była kontrolowana przez dyfuzję masy. Wynik ten podkreśla znaczenie procesów transportowych w badanym układzie i przemawia za ukierunkowaniem optymalizacji procesu na transport masy. Wyniki pokazują, że dzięki łącznej obróbce można osiągnąć wysoki stopień ekstrakcji itru, chociaż podane wydajności odzwierciedlają działanie całego układu odczynników i ultradźwięków.
Obrazy FESEM surowego popiołu węglowego: (a) po lewej – przed ługowaniem popiołu węglowego, (b) po ługowaniu ultradźwiękowym.
Badanie i obrazy: ©Masoum i in., 2021
Gal i wanad: czas ługowania krótszy o 88,89%
Zhang i in. (2026) badali ultradźwiękowe ługowanie kwasowe po prażeniu aktywującym z węglanem sodu. Zoptymalizowana obróbka wstępna obejmowała prażenie w temperaturze 850°C przez 60 minut przy stosunku masowym popiołu lotnego do Na₂CO₃ wynoszącym 2:1. Późniejsze ultradźwiękowe ługowanie kwasowe pozwoliło osiągnąć wysoki stopień ekstrakcji galu i wanadu w ciągu 20 minut.
| Parametr | Ługowanie ultradźwiękowe po prażeniu aktywującym | Ługowanie konwencjonalne |
|---|---|---|
| Czas ługowania | 20 min | 180 min |
| Efektywność ługowania galu | 98,14% | 63,81% |
| Efektywność ługowania wanadu | 92,32% | 83,56% |
Skrócenie czasu ze 180 do 20 minut odpowiada skróceniu etapu ługowania o 88,89%. Analiza kinetyczna wykazała wzrost stałych szybkości oraz intensyfikację zarówno transportu masy, jak i procesów reakcyjnych na granicy faz. Wyniki te pokazują potencjał połączenia prażenia aktywującego z ługowaniem ultradźwiękowym. Oszczędność czasu dotyczy ługowania; prażenie pozostaje dodatkowym etapem przetwarzania.
Ługowanie kwasowe wspomagane ultradźwiękami przebiega z szybkością dwunastokrotnie większą niż konwencjonalne ługowanie kwasowe dzięki korzystnemu mechanicznemu działaniu pęcherzyków kawitacyjnych pękających w pobliżu powierzchni. Zjawisko to poprawia mieszanie roztworu kwasu, zwiększając tym samym zdolność transportu.
Obraz i badanie: © Canciani i in., 2024
2 przemysłowe sonikatory UIP4000hdT do przetwarzania w wymagających warunkach
Opracuj proces ługowania ultradźwiękowego zapewniający wysoki odzysk pierwiastków ziem rzadkich
W praktycznej ekstrakcji pierwiastków ziem rzadkich po ługowaniu następuje rozdzielanie i oczyszczanie rozpuszczonych pierwiastków. Wysoka efektywność ługowania stanowi zatem istotny wynik pośredni, a nie wydajność uzyskiwania gotowego produktu zawierającego pierwiastki ziem rzadkich. Ocena procesu powinna uwzględniać odzysk na dalszych etapach, zużycie odczynników oraz energię potrzebną zarówno do obróbki wstępnej, jak i sonikacji.
Hielscher oferuje sonikatory stołowe klasy przemysłowej oraz ultradźwiękowe reaktory przepływowe do pracy w wymagających warunkach, przeznaczone do opracowywania i wdrażania intensyfikowanych procesów ługowania. Dobór urządzeń i próby mogą pozwolić ustalić odpowiednią amplitudę, zawartość fazy stałej, czas przebywania oraz sposób regulacji temperatury dla danego popiołu.
Proste zwiększanie skali do dużych objętości: Po ustaleniu parametrów zapewniających optymalny odzysk można na ich podstawie liniowo zwiększyć skalę do dowolnej objętości ługowania w zastosowaniach komercyjnych.
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspergowania, emulgowania i ekstrakcji w skali laboratoryjnej, pilotażowej i przemysłowej.
Obrazy SEM cząstek po różnych czasach ługowania konwencjonalnego (a–c) i ultradźwiękowego (d–f).
Obraz i badanie: © Canciani i in., 2024
Najczęściej zadawane pytania
Jak ultradźwięki usprawniają ługowanie pierwiastków ziem rzadkich z popiołu?
Ultradźwięki wytwarzają kawitację akustyczną w zawiesinie poddawanej ługowaniu. Zapadające się pęcherzyki powodują intensywne lokalne mieszanie, siły ścinające i mikrostrugi, które poprawiają kontakt między cząstkami popiołu a roztworem ługującym. Efekty te odsłaniają reaktywne powierzchnie i przyspieszają transport masy, pomagając zwiększyć wydajność ekstrakcji i skrócić czas ługowania.
Jakie pierwiastki ziem rzadkich i cenne metale można wyługować z popiołów?
W zależności od pochodzenia i składu mineralnego popioły można poddawać ługowaniu w celu ekstrakcji pierwiastków ziem rzadkich, w tym lantanu (La), ceru (Ce), neodymu (Nd), dysprozu (Dy), itru (Y) i skandu (Sc). Popiół lotny ze spalania węgla jest potencjalnym źródłem tych pierwiastków.
Inne cenne metale obejmują gal (Ga) i wanad (V) w odpowiednich popiołach węglowych oraz miedź (Cu) i cynk (Zn) w popiołach ze spalania odpadów komunalnych.
Dlaczego do ługowania popiołu warto stosować sonikator z sondą przeznaczony do pracy w wymagających warunkach?
Sonikator z sondą wprowadza energię ultradźwiękową bezpośrednio do zawiesiny poprzez sonotrodę (sondę/pręt ultradźwiękowy). Umożliwia to intensywną obróbkę mieszanin ciało stałe–ciecz i zapewnia regulowane warunki przetwarzania. Przemysłowe urządzenia do sonikacji Hielscher umożliwiają integrację z obiegami ługowania, w których niezbędne są kontrolowane dostarczanie energii i niezawodna praca. Konfiguracja powinna odpowiadać składowi zawiesiny, zawartości fazy stałej i wymaganej wydajności przetwarzania.
Oto kilka zastosowań urządzeń Hielscher do ługowania:
Czy sonikatory Hielscher mogą pracować w sposób ciągły?
Tak. Przemysłowe sonikatory Hielscher, od UIP500hdT (500W) aż po UIP16000hdT (16 000W), są przeznaczone do ciągłej pracy 24/7. Można je skonfigurować do obróbki partiami, recyrkulacji lub ciągłego przetwarzania w ultradźwiękowej komorze przepływowej. W przypadku ługowania popiołu instalację integruje się z układami pompowania zawiesiny i regulacji temperatury oraz dostosowuje do wybranej chemii ługowania.
Czy skalę ługowania ultradźwiękowego można zwiększyć do produkcji przemysłowej?
Tak, sonikatory Hielscher umożliwiają liniowe zwiększanie skali. Hielscher oferuje urządzenia do prób laboratoryjnych, przetwarzania pilotażowego i produkcji przemysłowej, w tym procesory o mocy 16 kW, które można łączyć w zespoły. Zwiększanie skali rozpoczyna się od prób pozwalających ustalić odpowiednią amplitudę, ilość dostarczanej energii, temperaturę i czas przebywania. Wyniki te stanowią podstawę do doboru wydajności reaktora i walidacji efektywności ekstrakcji przy wymaganej wydajności przetwarzania.
Czy ultradźwięki zastępują kwasy lub prażenie aktywujące?
Ultradźwięki intensyfikują proces ługowania, natomiast odczynniki chemiczne zapewniają warunki chemiczne niezbędne do rozpuszczenia docelowych pierwiastków. Niektóre popioły mogą również wymagać obróbki wstępnej w celu udostępnienia odpornych faz mineralnych.
Jakie parametry procesu można monitorować?
Wszystkie sonikatory Hielscher o mocy od 200 watów wzwyż umożliwiają monitorowanie i automatyczne rejestrowanie amplitudy, mocy, czasu obróbki i temperatury, a pomiar ciśnienia jest dostępny za pomocą opcjonalnego czujnika. Dane te pomagają porównywać próby i niezawodnie odtwarzać warunki pracy. Efektywność ekstrakcji pierwiastków ziem rzadkich należy określić oddzielnie poprzez analizę chemiczną surowca wejściowego, roztworu po ługowaniu i pozostałych substancji stałych.
Czy urządzenia ultradźwiękowe można stosować do kwaśnych zawiesin popiołu o właściwościach ściernych?
Hielscher Ultrasonics oferuje rozwiązania do sonikacji kwaśnych zawiesin popiołu o właściwościach ściernych. Sonotrody, komory przepływowe, uszczelnienia i inne elementy mające kontakt z medium należy dobierać z uwzględnieniem składu i stężenia kwasu, temperatury oraz właściwości ściernych cząstek.
Czy wyższa efektywność ługowania oznacza wyższy końcowy odzysk pierwiastków ziem rzadkich?
Tak, wyższa efektywność ługowania oznacza, że większa ilość docelowego pierwiastka przechodzi do fazy ciekłej. Uzyskanie użytecznego produktu zawierającego pierwiastki ziem rzadkich wymaga również rozdzielania i oczyszczania na dalszych etapach. Całkowity odzysk zależy od efektywności całego procesu.
Jak wybrać sonikator Hielscher do mojego procesu?
Zacznij od reprezentatywnych próbek popiołu i określ docelowe pierwiastki, stężenie zawiesiny, chemię ługowania, objętość partii lub natężenie przepływu oraz pożądaną wydajność ekstrakcji. W Hielscher możemy pomóc w doborze urządzeń do prób wykonalności i późniejszego liniowego zwiększania skali. Nasze centrum techniczne i laboratorium procesowe oferują również próby wspomagające dobór urządzeń.
Literatura / Źródła
- 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.
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe o wielkościach od laboratoryjnych do przemysłowych.