Ultradźwiękowe ługowanie pierwiastków ziem rzadkich z popiołów
Wypłukiwanie ultradźwiękowe może zwiększyć wydajność ekstrakcji i skrócić czas przetwarzania podczas odzyskiwania pierwiastków ziem rzadkich z popiołu. Poprawiając kontakt między cząstkami popiołu a środkami wypłukującymi, ultradźwięki o dużej mocy przyspieszają rozpuszczanie i ułatwiają dostęp do cennych pierwiastków. Badania nad popiołem lotnym z węgla pokazują ten potencjał: naukowcy odnotowali 97% wydajność ekstrakcji itru, natomiast w odrębnym badaniu dotyczącym galu i wanadu czas ługowania kwasowego skrócono ze 180 do 20 minut.
Popiół jako surowiec wtórny do pozyskiwania pierwiastków ziem rzadkich
Popioły stanowią obiecujące źródło surowców wtórnych zawierających pierwiastki ziem rzadkich (REE). Pozostałości po spalaniu węgla mogą zawierać itr i inne pierwiastki ziem rzadkich wykorzystywane w elektronice, technologiach energetycznych oraz materiałach zaawansowanych. Odzyskiwanie tych pierwiastków z istniejących strumieni popiołów i złóż mogłoby zdywersyfikować dostawy surowców oraz przekształcić materiał przeznaczony do utylizacji w użyteczny surowiec.
Potencjał ekstrakcji zależy zarówno od stężenia pierwiastków, jak i od ich dostępności. Popiół może zawierać cenne pierwiastki, ale podczas ługowania uwolni jedynie ich ograniczoną część, jeśli otaczająca go matryca mineralna ogranicza dostęp odczynników. W związku z tym należy łącznie uwzględnić skład popiołu, jego wstępną obróbkę oraz warunki chemiczne ługowania. Odzysk kilku cennych pierwiastków z tego samego surowca może również zwiększyć perspektywy danego procesu.
Wypłukiwanie ultradźwiękowe powoduje rozpad cząstek popiołu, dzięki czemu pierwiastki ziem rzadkich stają się dostępne dla odczynników wypłukujących. Poprawiając wymianę masową między cząstkami a odczynnikiem, sonikacja zwiększa wydajność odzysku, skracając jednocześnie czas przetwarzania!
Przemysłowa instalacja sonikatorów firmy Hielscher: klaster sonikatorów o mocy 48 kW do ługowania pierwiastków ziem rzadkich z popiołów węglowych w procesie inline
W jaki sposób ultradźwięki poprawiają proces ługowania popiołu
Ultradźwięki o dużej mocy intensyfikują ekstrakcję z fazy stałej do ciekłej poprzez kawitację akustyczną. W cieczy powstają i zapadają się mikroskopijne pęcherzyki, generując lokalne siły ścinające, mikrostrumienie i intensywne mieszanie. Efekty te mogą rozbijać aglomeraty cząstek, oczyszczać odsłonięte powierzchnie oraz poprawiać transport środków ługujących do miejsc reakcji. Rozpuszczone substancje są szybciej usuwane, co sprzyja utrzymaniu procesu rozpuszczania.
W przypadku przetwarzania popiołu zjawiska te niosą ze sobą szereg praktycznych korzyści:
- Szybsze wypłukiwanie: Zwiększony transfer masy może skrócić czas potrzebny do wydobycia metali dostępnych.
- Wyższa wydajność ekstrakcji: Lepszy kontakt z powierzchnią może pomóc w uwolnieniu materiału, który podczas konwencjonalnego mieszania nie został wystarczająco wypłukany.
- Połączenie z obróbką wstępną: Ultradźwięki mogą zintensyfikować etap wypłukiwania po tym, jak aktywacja sprawiła, że fazy odporne stały się bardziej dostępne.
- Elastyczne opracowywanie procesów: Proces sonikacji można dostosować do różnych stężeń kwasu, zawartości substancji stałych, temperatury i czasu trwania obróbki.
Przykłady badań: wysokie plony i krótszy czas wymywania
Poniższe badania ilustrują te zalety w konkretnych warunkach eksperymentalnych. Itr jest pierwiastkiem ziem rzadkich; gal i wanad to inne cenne metale. Ich wydobycie stanowi dodatkowy dowód na skuteczność przetwarzania popiołu za pomocą ultradźwięków.
Itr i wanad: stopień wydobycia do 97% i 100%
Masoum i in. (2021) przeprowadzili badania nad ekstrakcją wanadu i itru z popiołów lotnych węgla przy użyciu kwasu siarkowego, nadtlenku wodoru i ultradźwięków. Naukowcy zastosowali metodologię powierzchni odpowiedzi w celu optymalizacji stosunku faz stałej do ciekłej oraz proporcji kwasu siarkowego i nadtlenku wodoru. W zoptymalizowanych warunkach odzysk wyniósł 100% dla wanadu i 97% dla itru.
Zmodyfikowany model kurczącego się rdzenia wskazał, że szybkość reakcji zależała od dyfuzji masy. Odkrycie to podkreśla znaczenie procesów transportowych w badanym układzie i przemawia za skupieniem się na przenoszeniu masy podczas optymalizacji procesu. Wyniki pokazują, że dzięki zastosowaniu obróbki łączonej można osiągnąć wysoki stopień ekstrakcji itru, choć podane wydajności odnoszą się do pełnego zestawu odczynników i systemu ultradźwiękowego.
Obrazy FESEM popiołu z węgla surowego: (a) przed wypłukaniem popiołu węglowego, (b) po wypłukaniu ultradźwiękowym.
Badanie i ilustracje: ©Masoum i in., 2021
Gal i wanad: skrócenie czasu ługowania o 88,89%
Zhang i in. (2026) zbadali proces wyplukiwania kwasem ultradźwiękowym po prażeniu aktywacyjnym z użyciem węglanu sodu. Zoptymalizowana obróbka wstępna polegała na prażeniu w temperaturze 850°C przez 60 minut, przy stosunku masowym popiołu lotnego do Na₂CO₃ wynoszącym 2:1. Późniejsze wyłuszczanie kwasem przy użyciu ultradźwięków pozwoliło uzyskać wysoką wydajność ekstrakcji galu i wanadu w ciągu 20 minut.
| Parametr | Wypłukiwanie ultradźwiękowe po prażeniu aktywacyjnym | Ładowanie konwencjonalne |
|---|---|---|
| Czas wymywania | Dwadzieścia minut | 180 minut |
| Wydajność ługowania galu | 98,14% | 63,81% |
| Wydajność ługowania wanadu | 92,32% | 83,56% |
Skrócenie czasu z 180 do 20 minut odpowiada skróceniu etapu ługowania o 88,89%. Analiza kinetyczna wykazała wzrost stałych szybkości oraz przyspieszenie zarówno procesów transferu masy, jak i reakcji międzyfazowych. Wyniki te wskazują na potencjał połączenia prażenia aktywacyjnego z ługowaniem ultradźwiękowym. Oszczędność czasu dotyczy ługowania; prażenie pozostaje dodatkowym etapem przetwarzania.
Ultradźwiękowo wzmocnione ługowanie kwasem działa w tempie dwanaście razy szybszym niż konwencjonalne ługowanie kwasem, ze względu na korzystne mechaniczne działanie pęcherzyków kawitacyjnych pękających w pobliżu powierzchni. Zjawisko to poprawia mieszanie roztworu kwasu, zwiększając tym samym właściwości transportowe.
Zdjęcie i opracowanie: © Canciani et al., 2024
2 przemysłowe sonikatory UIP4000hdT do przetwarzania w trudnych warunkach
Opracuj proces ługowania ultradźwiękowego zapewniający wysoki stopień odzysku pierwiastków ziem rzadkich
W praktycznym procesie wydobycia pierwiastków ziem rzadkich po ługowaniu następuje separacja i oczyszczanie rozpuszczonych pierwiastków. Wysoka wydajność ługowania stanowi zatem ważny wynik pośredni, a nie sama wydajność gotowego produktu zawierającego pierwiastki ziem rzadkich. Ocena procesu powinna obejmować odzysk w dalszych etapach, zużycie odczynników oraz energię niezbędną zarówno do obróbki wstępnej, jak i sonikacji.
Firma Hielscher oferuje stołowe sonikatory klasy przemysłowej oraz wytrzymałe ultradźwiękowe reaktory przepływowe przeznaczone do opracowywania i wdrażania procesów intensywnego ługowania. Dobór sprzętu i przeprowadzenie testów pozwalają ustalić odpowiednią amplitudę, zawartość substancji stałych, czas przebywania oraz regulację temperatury dla konkretnego rodzaju popiołu.
Łatwe zwiększanie skali do dużych ilości: Po ustaleniu parametrów zapewniających optymalny odzysk można je następnie liniowo skalować do dowolnej przemysłowej objętości ługowania.
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspersji, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.
Obrazy SEM cząstek w różnym czasie ługowania konwencjonalnego (a-c) i ultradźwiękowego (d-f).
Zdjęcie i opracowanie: © Canciani et al., 2024
często zadawane pytania
W jaki sposób ultradźwięki poprawiają proces ługowania pierwiastków ziem rzadkich z popiołu?
Ultradźwięki wywołują kawitację akustyczną w zawiesinie ługującej. Pękające pęcherzyki powodują intensywne lokalne mieszanie, powstanie sił ścinających oraz mikrostrumieni, które poprawiają kontakt między cząstkami popiołu a roztworem ługującym. Efekty te odsłaniają reaktywne powierzchnie i przyspieszają przenoszenie masy, przyczyniając się do zwiększenia wydajności ekstrakcji oraz skrócenia czasu ługowania.
Jakie pierwiastki ziem rzadkich i metale szlachetne można wydobyć z popiołów metodą ługowania?
W zależności od pochodzenia i składu mineralnego popioły można poddać ługowaniu w celu uzyskania pierwiastków ziem rzadkich, w tym lantan (La), cer (Ce), neodym (Nd), dysproz (Dy), itr (Y) i skand (Sc). Popiół lotny z węgla stanowi potencjalne źródło tych pierwiastków.
Inne cenne metale to gal (Ga) i wanad (V) występujące w odpowiednich popiołach węglowych oraz miedź (Cu) i cynk (Zn) występujące w popiołach pochodzących ze spalania odpadów komunalnych.
Dlaczego warto stosować sonikator z sondą o dużej wytrzymałości do wypłukiwania popiołu?
Sonikator sondowy wprowadza energię ultradźwiękową bezpośrednio do zawiesiny za pośrednictwem sonotrody (sondy ultradźwiękowej/pręta). Umożliwia to intensywną obróbkę mieszanin ciał stałych i cieczy oraz zapewnia możliwość dostosowania warunków przetwarzania. Przemysłowe urządzenia do sonikacji firmy Hielscher umożliwiają integrację z obiegami ługowania, w których kluczowe znaczenie mają kontrolowany dopływ energii i niezawodna praca. Konfiguracja powinna być dostosowana do składu zawiesiny, zawartości cząstek stałych oraz wymaganej wydajności.
Oto kilka przykładów zastosowań technologii ługowania firmy Hielscher:
Czy sonikatory firmy Hielscher mogą pracować w trybie ciągłym?
Tak. Przemysłowe ultradźwiękowce firmy Hielscher, takie jak modele od UIP500hdT (500 W) do UIP16000hdT (16 000 W), są zaprojektowane do ciągłej pracy przez całą dobę, 7 dni w tygodniu. Można je skonfigurować do obróbki wsadowej, recyrkulacyjnej lub ciągłej za pomocą ultradźwiękowej komory przepływowej. W przypadku ługowania popiołu instalacja jest zintegrowana z systemem pompowania szlamu, regulacją temperatury oraz wybraną mieszanką chemiczną do ługowania.
Czy proces ługowania ultradźwiękowego można zastosować na skalę przemysłową?
Tak, sonikatory firmy Hielscher umożliwiają liniowe zwiększanie skali. Firma Hielscher oferuje urządzenia do badań laboratoryjnych, przetwarzania pilotażowego i produkcji przemysłowej, w tym procesory o mocy 16 kW, które można łączyć w klastry. Zwiększanie skali produkcji rozpoczyna się od badań mających na celu ustalenie odpowiedniej amplitudy, mocy wejściowej, temperatury i czasu przebywania. Wyniki tych badań stanowią podstawę do wyboru pojemności reaktora i walidacji wydajności ekstrakcji przy wymaganej przepustowości.
Czy badanie ultrasonograficzne zastępuje działanie kwasów lub prażenie aktywacyjne?
Ultradźwięki przyspieszają proces ługowania, natomiast odczynniki chemiczne zapewniają warunki chemiczne niezbędne do rozpuszczenia docelowych pierwiastków. Niektóre popioły mogą również wymagać obróbki wstępnej, aby uwolnić trudno dostępne fazy mineralne.
Jakie parametry procesu można monitorować?
Wszystkie sonikatory firmy Hielscher o mocy od 200 watów umożliwiają monitorowanie i automatyczne rejestrowanie amplitudy, mocy, czasu obróbki oraz temperatury, a pomiar ciśnienia jest możliwy za pomocą opcjonalnego czujnika. Dane te pomagają w porównywaniu wyników prób oraz w niezawodnym odtwarzaniu warunków pracy. Wydajność ekstrakcji pierwiastków ziem rzadkich należy określić oddzielnie poprzez analizę chemiczną surowca, wycieku oraz pozostałych substancji stałych.
Czy urządzenia ultradźwiękowe mogą być stosowane w przypadku kwaśnych, ściernych zawiesin popiołów?
Firma Hielscher Ultrasonics oferuje rozwiązania do sonikacji kwaśnych, ściernych zawiesin popiołów. Sonotrody, komory przepływowe, uszczelki i inne elementy mające kontakt z medium należy dobierać pod kątem składu kwasu, stężenia, temperatury oraz ścieralności cząstek.
Czy wyższa wydajność wymywania oznacza wyższy końcowy stopień odzysku pierwiastków ziem rzadkich?
Tak, wyższa wydajność ługowania oznacza, że większa ilość pierwiastka docelowego przechodzi do fazy ciekłej. Wytworzenie nadającego się do użytku produktu z pierwiastków ziem rzadkich wymaga również dalszej separacji i oczyszczania. Ogólny stopień odzysku zależy od wydajności całego procesu.
Jak dobrać sonikator firmy Hielscher do mojego procesu?
Należy zacząć od reprezentatywnych próbek popiołu i określić pierwiastki docelowe, stężenie zawiesiny, skład chemiczny roztworu ługującego, objętość partii lub natężenie przepływu oraz pożądaną wydajność ekstrakcji. Firma Hielscher może pomóc Państwu w doborze urządzeń do przeprowadzenia badań wykonalności oraz późniejszego liniowego zwiększania skali. Nasze centrum techniczne i laboratorium procesowe oferują również badania wspomagające dobór sprzętu.
Literatura / Referencje
- 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 od laboratorium do rozmiar przemysłowy.