Ultradźwiękowe ługowanie metali szlachetnych

Ultradźwięki to skuteczna technika ekstrakcji metali, takich jak metale szlachetne i metale ziem rzadkich. Ten proces wspomaganej ultradźwiękami ekstrakcji ciało stałe-ciecz jest znany jako ługowanie sono, lixiviation lub mycie. Solidne ultrasonografy przemysłowe można łatwo zainstalować do ługowania metali ziem rzadkich z rud, do obróbki szlamów górniczych w celu pełniejszego odzysku lub do oddzielania metali o wysokiej wartości (np. Cu, Zn, Ni) od mniej wartościowych metali.

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

• Wyższa wydajność
• pełniejsze ługowanie
• zmniejszone zużycie odczynników
• łagodniejsze warunki
• proste testy wykonalności
• Skalowanie liniowe
• łatwa instalacja w pełni komercyjnych systemów ultrasonograficznych
• Bardzo wytrzymałe ultradźwięki do strumieni o dużej objętości

Ultradźwiękowe ługowanie metali szlachetnych: Szybsza ekstrakcja dzięki chemii kawitacyjnej

Odzyskiwanie metali szlachetnych, takich jak złoto, srebro, platyna, pallad i rod, jest kamieniem węgielnym nowoczesnej metalurgii i recyklingu – zwłaszcza w przetwarzaniu rud, koncentratów i surowców wtórnych, takich jak złom elektroniczny i katalizatory. Podczas gdy konwencjonalne ługowanie jest dobrze ugruntowane, jest ono często ograniczone przez powolny transfer masy, pasywację powierzchni, niepełne uwolnienie cennych faz i wysokie zużycie odczynników.
Ługowanie ultradźwiękowe rozwiązuje wiele z tych wąskich gardeł, wprowadzając ultradźwięki o wysokiej intensywności do zawiesiny ługującej, radykalnie intensyfikując kinetykę reakcji poprzez zjawisko znane jako kawitacja akustyczna.

Główny mechanizm: Kawitacja akustyczna

Gdy ultradźwięki o dużej mocy są sprzężone z cieczą, tworzą mikroskopijne pęcherzyki kawitacyjne, które szybko tworzą się i zapadają. To zapadanie się generuje ekstremalne warunki lokalne, w tym:

• intensywne mikromieszanie i siły ścinające
• Mikrostrumienie o wysokiej prędkości skierowane na powierzchnie stałe
• zlokalizowane gorące punkty (bardzo wysokie temperatury i ciśnienia 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 i z cząstek stałych.

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

Dlaczego ultradźwięki poprawiają ługowanie metali szlachetnych

W większości systemów ługowania etapem ograniczającym szybkość nie jest sama reakcja chemiczna, ale raczej transport reagentów przez warstwy graniczne, pory lub pasywujące warstwy powierzchniowe. Kawitacja ultradźwiękowa poprawia wydajność ługowania poprzez kilka efektów synergicznych:

1. Zwiększony transfer masy
   Ultradźwięki zmniejszają grubość stagnacyjnej warstwy dyfuzyjnej otaczającej cząstki stałe. Pozwala to na szybsze dotarcie środków utrwalających (np. cyjanku, tiosiarczanu, chlorku, jodku, tiomocznika lub układów kwasowych) do powierzchni zawierającej metal, podczas gdy rozpuszczone kompleksy metali są usuwane bardziej efektywnie.
2. Aktywacja powierzchni cząstek
   Mikrodysze kawitacyjne i fale uderzeniowe nieustannie erodują, czyszczą i szorstkują powierzchnie cząstek. Odsłania to świeże fazy mineralne i zwiększa efektywny obszar reaktywny – szczególnie ważne w przypadku rud ogniotrwałych lub cząstek powlekanych.
3. Zakłócenie warstw pasywacji
   Wiele minerałów zawierających metale szlachetne tworzy warstwy powierzchniowe podczas ługowania (np. tlenki, siarczany, siarka elementarna lub warstwy krzemionki). Ultradźwięki mogą fizycznie zakłócić te bariery, przywracając dostęp środka ługującego do leżącej poniżej fazy metalowej.
4. Ulepszona penetracja porowatych ciał stałych
   W przypadku koncentratów, katalizatorów i cząstek e-odpadów ultradźwięki pomagają wtłaczać ciecz w pory i mikropęknięcia, poprawiając dostęp odczynników do osadzonych metali szlachetnych.

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

Zastosowania: Od rud po górnictwo miejskie

Ługowanie ultradźwiękowe jest coraz częściej badane zarówno w przypadku zasobów pierwotnych, jak i wtórnych:

• Złoto i srebro
  Wykazano, że ultradźwięki przyspieszają ługowanie złota w cyjanku i alternatywnych środkach ługujących poprzez poprawę transportu i usuwanie efektów pasywacji. Jest to również istotne w przypadku odzyskiwania srebra z rud i pozostałości przemysłowych.
• Metale z grupy platynowców (PGM)
  Odzyskiwanie platyny, palladu i rodu – zwłaszcza ze zużytych katalizatorów – często opiera się na systemach ługowania opartych na chlorkach lub kwasach. Ultradźwięki zwiększają kinetykę rozpuszczania poprzez intensyfikację reakcji powierzchniowych i poprawę rozkładu złożonych matryc ceramiczno-metalowych.
• Złom elektroniczny
  Płytki drukowane i komponenty elektroniczne zawierają cenne metale szlachetne, ale stanowią silne bariery dyfuzyjne ze względu na polimery, tlenki i struktury wielomateriałowe. Obróbka ultradźwiękowa poprawia jednorodność ługowania i może skrócić wymagany czas ługowania.

Kluczowe zalety procesu

Z perspektywy inżynierii procesowej ługowanie ultradźwiękowe oferuje kilka wymiernych korzyści:

• krótszy czas wymywania dzięki przyspieszonej kinetyce
• wyższa wydajność wydobycia dzięki lepszemu dostępowi do powierzchni
• niższe zużycie odczynnika w wielu systemach (potrzeba mniej nadmiaru środka utrwalającego)
• lepsza powtarzalność dzięki lepszej dyspersji i mieszaniu
• potencjalnie niższa temperatura pracy, ponieważ ultradźwięki kompensują wolniejszą kinetykę termiczną

Rozważania dotyczące procesu i skalowania

Skuteczne ługowanie ultradźwiękowe zależy w dużej mierze od projektu procesu. Krytyczne parametry obejmują:

• Gęstość i amplituda mocy ultradźwięków
• Stężenie zawiesiny i rozkład wielkości cząstek
• geometria reaktora i warunki przepływu
• kontrola temperatury
• wybór chemii ługowania (kwaśna, alkaliczna, chlorkowa itp.)

Co ważne, wdrożenie na skalę przemysłową wymaga reaktorów ultradźwiękowych o dużej mocy typu sondy, ponieważ sonikatory kąpielowe zazwyczaj nie dostarczają wystarczającej energii do gęstych zawiesin ługujących. Wbudowane ultradźwiękowe komórki przepływowe mogą być zintegrowane z ciągłymi obwodami ługowania, umożliwiając skalowalną pracę. Wysokowydajne sonikatory Hielscher są przeznaczone do przetwarzania dużych ilości w wymagających warunkach – zwiększenie wydajności wymywanych metali przy jednoczesnym skróceniu czasu przetwarzania i zmniejszeniu wpływu na środowisko.

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Literatura / Referencje