Ultradźwiękowe ługowanie metali szlachetnych

Ultradźwięki dużej mocy są skuteczną techniką ekstrakcji metali, takich jak metale szlachetne i pierwiastki ziem rzadkich. Ten proces wspomaganej ultradźwiękami ekstrakcji w układzie ciało stałe–ciecz jest znany jako ługowanie ultradźwiękowe, ługowanie lub przemywanie. Wytrzymałe sonikatory przemysłowe można łatwo zainstalować w celu ługowania pierwiastków ziem rzadkich z rud, przetwarzania zawiesin górniczych dla pełniejszego odzysku lub oddzielania metali o wysokiej wartości (np. Cu, Zn, Ni) od metali mniej wartościowych.

Ługowanie ultradźwiękowe wspomaga reakcję poprzez przenoszenie masy i rozpuszczanie, dzięki czemu uzyskuje się wyższą wydajność w krótszym czasie ekstrakcji.
Główne korzyści ługowania ultradźwiękowego to:

• wyższa wydajność
• pełniejsze ługowanie
• mniejsze zużycie odczynników
• łagodniejsze warunki
• proste badania wykonalności
• liniowe zwiększanie skali
• łatwa instalacja systemów ultradźwiękowych do zastosowań na pełną skalę komercyjną
• bardzo wytrzymałe sonikatory do strumieni o dużej objętości

Ultradźwiękowe ługowanie metali szlachetnych: szybsza ekstrakcja dzięki chemii kawitacji

Odzysk metali szlachetnych, takich jak złoto, srebro, platyna, pallad i rod, stanowi podstawę współczesnej metalurgii i recyklingu – zwłaszcza w przetwarzaniu rud, koncentratów i surowców wtórnych, takich jak złom elektroniczny i katalizatory samochodowe. Choć ługowanie konwencjonalne jest dobrze ugruntowaną metodą, często ograniczają je powolne przenoszenie masy, pasywacja powierzchni, niepełne uwolnienie cennych faz i wysokie zużycie odczynników.
Ługowanie ultradźwiękowe pozwala przezwyciężyć wiele z tych ograniczeń poprzez wprowadzenie ultradźwięków o wysokiej intensywności do zawiesiny poddawanej ługowaniu, co radykalnie przyspiesza kinetykę reakcji dzięki zjawisku znanemu jako kawitacja akustyczna.

Podstawowy mechanizm: kawitacja akustyczna

Gdy ultradźwięki dużej mocy są wprowadzane do cieczy, powstają mikroskopijne pęcherzyki kawitacyjne, które szybko się tworzą i zapadają. Ich zapadanie się wytwarza ekstremalne warunki lokalne, w tym:

• intensywne mikromieszanie i siły ścinające
• mikrostrumienie o dużej prędkości skierowane na powierzchnie ciał stałych
• lokalne gorące punkty (bardzo wysokie temperatury i ciśnienia utrzymujące się przez mikrosekundy)

Chociaż efekty te występują w skali mikroskopowej, silnie wpływają na makroskopowy proces ługowania poprzez ciągłe odnawianie powierzchni reaktywnej i przyspieszanie transportu odczynników do cząstek stałych i od nich.

Ługowanie kwasowe wspomagane ultradźwiękami przebiega dwanaście razy szybciej niż konwencjonalne ługowanie kwasowe dzięki korzystnemu mechanicznemu działaniu pęcherzyków kawitacyjnych pękających w pobliżu powierzchni. Zjawisko to poprawia mieszanie roztworu kwasu, zwiększając tym samym jego właściwości transportowe.
Ilustracja i badanie: © Canciani et al., 2024

Dlaczego ultradźwięki poprawiają ługowanie metali szlachetnych

W większości układów ługowania etapem ograniczającym szybkość procesu nie jest sama reakcja chemiczna, lecz transport reagentów przez warstwy graniczne, pory lub pasywujące powłoki powierzchniowe. Kawitacja ultradźwiękowa poprawia wydajność ługowania dzięki kilku synergicznym efektom:

1. Usprawnione przenoszenie masy
   Ultradźwięki zmniejszają grubość nieruchomej warstwy dyfuzyjnej otaczającej cząstki stałe. Dzięki temu środki ługujące (np. cyjanek, tiosiarczan, chlorek, jodek, tiomocznik lub układy kwasowe) szybciej docierają do powierzchni zawierającej metal, a rozpuszczone kompleksy metali są skuteczniej usuwane.
2. Aktywacja powierzchni cząstek
   Mikrostrumienie kawitacyjne i fale uderzeniowe stale erodują, oczyszczają i zwiększają chropowatość powierzchni cząstek. Odsłania to świeże fazy mineralne i zwiększa efektywną powierzchnię reaktywną – co jest szczególnie istotne w przypadku rud trudno poddających się ługowaniu lub cząstek pokrytych powłokami.
3. Rozbijanie warstw pasywacyjnych
   Wiele minerałów zawierających metale szlachetne tworzy podczas ługowania warstwy powierzchniowe (np. tlenki, siarczany, siarkę elementarną lub powłoki krzemionkowe). Ultradźwięki mogą fizycznie rozbijać te bariery, przywracając dostęp środka ługującego do znajdującej się pod nimi fazy metalicznej.
4. Lepsza penetracja porowatych ciał stałych
   W przypadku koncentratów, katalizatorów i cząstek odpadów elektronicznych ultradźwięki pomagają wtłaczać ciecz do porów i mikropęknięć, poprawiając dostęp odczynników do metali szlachetnych osadzonych wewnątrz materiału.

Rozkłady wielkości cząstek po ługowaniu ultradźwiękowym i konwencjonalnym
Ilustracja i badanie: © Canciani et al., 2024

Zastosowania: od rud po górnictwo miejskie

Ługowanie ultradźwiękowe jest coraz częściej badane w odniesieniu zarówno do surowców pierwotnych, jak i wtórnych:

• Złoto i srebro
  Wykazano, że ultradźwięki dużej mocy przyspieszają ługowanie złota w roztworach cyjankowych i alternatywnych środkach ługujących poprzez usprawnienie transportu i eliminowanie efektów pasywacji. Mają również znaczenie dla odzysku srebra z rud i pozostałości przemysłowych.
• Metale z grupy platynowców (PGM)
  Odzysk platyny, palladu i rodu – zwłaszcza ze zużytych katalizatorów samochodowych – często opiera się na układach ługowania na bazie chlorków lub układach kwasowych. Ultradźwięki przyspieszają kinetykę rozpuszczania poprzez intensyfikację reakcji powierzchniowych i usprawnienie rozbijania złożonych matryc ceramiczno-metalowych.
• Złom elektroniczny
  Płytki drukowane i podzespoły elektroniczne zawierają cenne metale szlachetne, lecz stanowią silne bariery dyfuzyjne ze względu na obecność polimerów, tlenków i struktur wielomateriałowych. Obróbka ultradźwiękowa poprawia równomierność ługowania i może skrócić wymagany czas ługowania.
• Pierwiastki ziem rzadkich z popiołów węglowych
  Popiół węglowy może zawierać cenne metale i pierwiastki ziem rzadkich, często związane w fazach mineralnych lub szklistej matrycy glinokrzemianowej. Obróbka ultradźwiękowa poprawia kontakt między cząstkami popiołu a roztworem ługującym, co może zwiększyć wydajność ekstrakcji i skrócić czas ługowania.
  Dowiedz się więcej o ultradźwiękowym ługowaniu pierwiastków ziem rzadkich z popiołów!

Główne zalety procesu

Z punktu widzenia inżynierii procesowej ługowanie ultradźwiękowe oferuje kilka wymiernych korzyści:

• krótszy czas ługowania dzięki przyspieszonej kinetyce
• wyższa wydajność ekstrakcji dzięki lepszemu dostępowi do powierzchni
• mniejsze zużycie odczynników w wielu układach (wymagany mniejszy nadmiar środka ługującego)
• lepsza odtwarzalność dzięki lepszemu dyspergowaniu i mieszaniu
• potencjalnie niższa temperatura pracy, ponieważ ultradźwięki kompensują wolniejszą kinetykę termiczną

Aspekty procesu i zwiększanie skali

Skuteczność ługowania ultradźwiękowego silnie zależy od projektu procesu. Kluczowe parametry obejmują:

• gęstość mocy ultradźwięków i amplitudę
• stężenie zawiesiny i rozkład wielkości cząstek
• geometrię reaktora i warunki przepływu
• kontrolę temperatury
• wybór chemii ługowania (kwasowa, zasadowa, chlorkowa itp.)

Co istotne, wdrożenie w skali przemysłowej wymaga reaktorów ultradźwiękowych dużej mocy wyposażonych w sondę, ponieważ sonikatory wannowe zazwyczaj nie dostarczają wystarczającej energii do gęstych zawiesin poddawanych ługowaniu. Ultradźwiękowe komory przepływowe można zintegrować z ciągłymi obiegami ługowania, umożliwiając skalowalną pracę. Sonikatory Hielscher o wysokiej wydajności są przeznaczone do przetwarzania dużych objętości w wymagających warunkach – zwiększają wydajność odzysku ługowanych metali, jednocześnie skracając czas przetwarzania i zmniejszając wpływ na środowisko.

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Wytrzymałość i łatwa obsługa umożliwiają bezproblemową integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającym środowiskiem pracy.

Hielscher Ultrasonics jest firmą z certyfikatem ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wykorzystujące najnowocześniejszą technologię i przyjazne dla użytkownika. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Literatura / Źródła

• 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.