Lixivierea cu ultrasunete a elementelor din grupul pământurilor rare din cenușă
Lixivierea cu ultrasunete poate crește randamentul extracției și poate scurta durata procesării în cazul recuperării elementelor de pământuri rare din cenușă. Prin îmbunătățirea contactului dintre particulele de cenușă și agenții de lixiviere, ultrasunetele de putere accelerează dizolvarea și contribuie la o mai bună accesibilitate a elementelor valoroase. Studiile privind cenușa zburătoare de cărbune demonstrează acest potențial: cercetătorii au raportat o extracție de ytriu de 97%, în timp ce un studiu separat privind galiul și vanadiul a redus timpul de lixiviere acidă de la 180 la 20 de minute.
Cenușa ca resursă secundară pentru elementele pământurilor rare
Cenușa reprezintă o resursă secundară promițătoare pentru elementele de pământuri rare (REE). Reziduurile rezultate din arderea cărbunelui pot conține ytriu și alte elemente de pământuri rare utilizate în domeniul electronicii, al tehnologiilor energetice și al materialelor avansate. Recuperarea acestor elemente din fluxurile și depozitele existente de cenușă ar putea diversifica sursele de materii prime și ar transforma un material destinat eliminării într-o materie primă utilă.
Potențialul de extracție depinde atât de concentrația elementelor, cât și de accesibilitatea acestora. O cenușă poate conține elemente valoroase, dar poate elibera doar o fracțiune limitată în timpul leșierii dacă matricea minerală înconjurătoare restricționează accesul reactivilor. În consecință, compoziția cenușii, pretratarea și procesul chimic de leșiere trebuie luate în considerare în ansamblu. Recuperarea mai multor elemente valoroase din aceeași materie primă poate, de asemenea, să îmbunătățească perspectivele unui proces.
Lixivierea cu ultrasunete fragmentează particulele de cenușă, făcând elementele din pământuri rare accesibile reactivilor de lixiviere. Prin îmbunătățirea transferului de masă între particule și reactiv, sonicația crește gradul de recuperare și, în același timp, scurtează durata procesului!
Instalare industrială a sonicatoarelor Hielscher: grup de sonicatoare de 48 kW pentru leșierea în linie a elementelor din pământuri rare din cenușa de cărbune
Cum îmbunătățește ultrasunetul procesul de lixiviere a cenușii
Ultrasunetele de putere intensifică extracția solid-lichid prin cavitație acustică. În lichid se formează și se sparg bule microscopice, generând forțe de forfecare locale, microjeturi și o amestecare intensă. Aceste efecte pot dispersa aglomeratele de particule, curăța suprafețele expuse și îmbunătăți transportul agenților de leșiere către zonele reactive. Speciile dizolvate sunt transportate mai rapid, contribuind la menținerea dizolvării.
În ceea ce privește prelucrarea cenușii, aceste efecte oferă o serie de avantaje practice:
- Lixiviere mai rapidă: Un transfer de masă îmbunătățit poate reduce timpul necesar pentru extragerea metalelor accesibile.
- Randamente de extracție mai mari: Un contact îmbunătățit la suprafață poate contribui la eliberarea materialului care rămâne insuficient lixiviat în cazul amestecării convenționale.
- Combinarea cu un tratament preliminar: Ecografia poate intensifica etapa de leșiere după ce activarea a făcut ca fazele rezistente să devină mai accesibile.
- Dezvoltarea flexibilă a proceselor: Procesul de sonicare poate fi adaptat în funcție de concentrația de acid, cantitatea de substanțe solide, temperatura și durata tratamentului.
Exemple de cercetare: randamente ridicate și timpi de lixiviere mai scurți
Studiile de mai jos ilustrează aceste avantaje în condiții experimentale specifice. Itriul este un element din grupul pământurilor rare; galiul și vanadiul sunt alte metale valoroase. Extragerea acestora oferă dovezi suplimentare în favoarea prelucrării cu ultrasunete a cenușii.
Itriu și vanadiu: grad de extracție de până la 97% și, respectiv, 100%
Masoum și colab. (2021) au studiat extracția vanadiului și a ytriului din cenușa zburătoare de cărbune folosind acid sulfuric, peroxid de hidrogen și ultrasunete. Cercetătorii au aplicat metodologia suprafeței de răspuns pentru a optimiza raportul solid-lichid și proporțiile de acid sulfuric și peroxid de hidrogen. În condițiile optimizate, gradul de extracție raportat a atins 100% pentru vanadiu și 97% pentru ytriu.
Un model modificat cu miez contractabil a indicat că viteza de reacție este determinată de difuzia de masă. Această constatare subliniază importanța proceselor de transport în sistemul studiat și susține necesitatea concentrării eforturilor asupra transferului de masă în cadrul optimizării procesului. Rezultatele demonstrează că se poate obține o extracție ridicată de ytriu prin tratamentul combinat, deși randamentele raportate reflectă utilizarea integrală a reactivilor și a sistemului cu ultrasunete.
Imagini FESEM ale cenușii de cărbune brută: (a) înainte de leșierea cenușii de cărbune, (b) după leșierea cu ultrasunete.
Studiu și imagini: ©Masoum et al., 2021
Galiu și vanadiu: timp de leșiere cu 88,89% mai scurt
Zhang și colab. (2026) au studiat procesul de lixiviere acidă cu ultrasunete după prăjirea de activare cu carbonat de sodiu. Pretratamentul optimizat a constat în prăjire la 850 °C timp de 60 de minute, utilizând un raport de masă cenușă zburătoare/Na₂CO₃ de 2:1. Lixivierea acidă cu ultrasunete ulterioară a permis obținerea unei extracții ridicate de galiu și vanadiu în decurs de 20 de minute.
| Parametru | Lixivierea cu ultrasunete după prăjirea de activare | Lixivierea convențională |
|---|---|---|
| Timpul de lixiviere | Douăzeci de minute | 180 de minute |
| Eficiența de lixiviere a galiului | 98,14% | 63,81 % |
| Eficiența lixivierii vanadiului | 92,32 % | 83,56 % |
Reducerea de la 180 la 20 de minute corespunde unei scăderi cu 88,89% a duratei etapei de lixiviere. Analiza cinetică a indicat constante de viteză mai mari și o intensificare atât a proceselor de transfer de masă, cât și a celor de reacție interfacială. Aceste rezultate demonstrează potențialul combinării prăjirii de activare cu lixivierea cu ultrasunete. Economia de timp se aplică procesului de lixiviere; prăjirea rămâne o etapă suplimentară de prelucrare.
Levigarea acidă îmbunătățită cu ultrasunete funcționează la o rată de douăsprezece ori mai rapidă decât levigarea acidă convențională, datorită acțiunii mecanice benefice a bulelor de cavitație care izbucnesc aproape de suprafață. Acest fenomen îmbunătățește amestecarea soluției acide, îmbunătățind astfel proprietățile de transport.
Imagine și studiu: © Canciani et al., 2024
2 sonicatoare industriale UIP4000hdT pentru procesare intensivă
Dezvoltați procesul de lixiviere cu ultrasunete pentru o recuperare ridicată a pământurilor rare
În cazul extracției practice a pământurilor rare, procesul de lixiviere este urmat de separarea și purificarea elementelor dizolvate. Prin urmare, o eficiență ridicată a lixivierii reprezintă un rezultat intermediar important, mai degrabă decât randamentul unui produs finit din pământuri rare. Evaluarea procesului ar trebui să includă recuperarea în etapele ulterioare, utilizarea reactivilor și energia necesară atât pentru pretratare, cât și pentru sonicare.
Hielscher oferă sonicatoare de laborator de nivel industrial și reactoare cu flux ultrasonic de mare capacitate pentru dezvoltarea și implementarea proceselor de lixiviere intensificate. Selectarea echipamentelor și testele efectuate pot stabili amplitudinea adecvată, încărcarea cu solide, timpul de staționare și controlul temperaturii pentru un anumit tip de cenușă.
Extindere simplă la volume mari: Odată stabiliți, parametrii pentru o recuperare optimă pot fi apoi extinși liniar la orice volum comercial de lixiviere.
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de amestecare, dispersie, emulsionare și extracție pe laborator, pilot și scară industrială.
Imagini SEM pentru particule în diferite momente de levigare convențională (a-c) și ultrasonică (d-f).
Imagine și studiu: © Canciani et al., 2024
Întrebări frecvente
Cum contribuie ultrasunetele la îmbunătățirea procesului de leșiere a elementelor din pământuri rare din cenușă?
Ultrasunetele generează cavitație acustică în suspensia de leșiere. Colapsul bulelor produce o amestecare locală intensă, forțe de forfecare și microjeturi care îmbunătățesc contactul dintre particulele de cenușă și soluția de leșiere. Aceste efecte expun suprafețele reactive și accelerează transferul de masă, contribuind la creșterea randamentelor de extracție și la scurtarea timpilor de leșiere.
Ce elemente din grupul pământurilor rare și ce metale prețioase pot fi extrase din cenușă?
În funcție de originea și compoziția lor minerală, cenușa poate fi supusă unui proces de leșiere pentru a se extrage elemente din grupa pământurilor rare, printre care lantanul (La), ceriul (Ce), neodimul (Nd), disprosiul (Dy), ytriul (Y) și scandiumul (Sc). Cenușa zburătoare de cărbune reprezintă o sursă potențială a acestor elemente.
Printre alte metale valoroase se numără galiul (Ga) și vanadiul (V) din cenușa de cărbune adecvată, precum și cuprul (Cu) și zincul (Zn) din cenușa rezultată din incinerarea deșeurilor municipale.
De ce să folosiți un sonicator cu sondă de mare putere pentru leșierea cenușii?
Un sonicator cu sondă introduce energia ultrasonică direct în suspensie prin intermediul unui sonotrod (sondă/tijă ultrasonică). Acest lucru permite tratarea intensivă a amestecurilor solid-lichid și oferă condiții de procesare reglabile. Echipamentele industriale de sonicare Hielscher permit integrarea în circuitele de lixiviere, unde aportul controlat de energie și funcționarea fiabilă sunt esențiale. Configurația trebuie să corespundă compoziției suspensiei, încărcării de solide și debitului necesar.
Iată câteva dintre aplicațiile de lixiviere ale companiei Hielscher:
Aparatele de sonicare Hielscher pot funcționa în mod continuu?
Da. Aparatele industriale cu ultrasunete Hielscher, precum modelele de la UIP500hdT (500 W) până la UIP16000hdT (16.000 W), sunt proiectate pentru funcționare continuă 24/7. Acestea pot fi configurate pentru tratarea în loturi, recirculare sau procesare continuă prin intermediul unei celule de curgere cu ultrasunete. Pentru leșierea cenușii, instalația este integrată în sistemul de pompare a suspensiei, controlul temperaturii și procesul chimic de leșiere selectat.
Poate fi extinsă lixivierea cu ultrasunete la scara producției industriale?
Da, sonicatoarele Hielscher permit o scalare liniară. Hielscher oferă echipamente pentru teste de laborator, procesare pilot și producție industrială, inclusiv procesoare de 16 kW care pot fi combinate în clustere. Extinderea începe cu teste pentru stabilirea amplitudinii, a energiei de intrare, a temperaturii și a timpului de staționare adecvate. Aceste rezultate constituie baza pentru selectarea capacității reactorului și validarea performanței de extracție la debitul necesar.
Ecografia înlocuiește acizii sau prăjirea de activare?
Ultrasunetele intensifică procesul de leșiere, în timp ce reactivi chimici asigură reacțiile chimice necesare pentru dizolvarea elementelor țintă. Unele cenușe pot necesita, de asemenea, un tratament preliminar pentru a face accesibile fazele minerale rezistente.
Ce parametri ai procesului pot fi monitorizați?
Toate aparatele de sonicare Hielscher cu o putere de cel puțin 200 de wați permit monitorizarea și înregistrarea automată a amplitudinii, puterii, duratei tratamentului și temperaturii, măsurarea presiunii fiind disponibilă prin intermediul unui senzor opțional. Aceste date ajută la compararea experimentelor și la reproducerea fiabilă a condițiilor de funcționare. Eficiența extracției elementelor din pământuri rare trebuie determinată separat, prin analiza chimică a materiei prime, a levigatului și a solidelor rămase.
Echipamentele cu ultrasunete pot fi utilizate cu suspensii de cenușă acide și abrazive?
Hielscher Ultrasonics oferă soluții pentru tratarea cu ultrasunete a suspensiilor acide și abrazive de cenușă. Sonotrozii, celulele de curgere, garniturile și alte componente care intră în contact cu lichidul trebuie selectate ținând cont de compoziția acidului, concentrația acestuia, temperatura și gradul de abraziune al particulelor.
O eficiență mai mare a leșierii înseamnă o recuperare finală mai mare a pământurilor rare?
Da, o eficiență mai mare a lixivierii înseamnă că o cantitate mai mare din elementul țintă este transferată în faza lichidă. Obținerea unui produs util din pământuri rare necesită, de asemenea, operațiuni ulterioare de separare și purificare. Recuperarea totală depinde de performanța întregului proces.
Cum pot alege un sonicator Hielscher potrivit pentru procesul meu?
Începeți cu probe reprezentative de cenușă și stabiliți elementele țintă, concentrația suspensiei, compoziția chimică a soluției de leșiere, volumul lotului sau debitul, precum și randamentul de extracție dorit. Noi, cei de la Hielscher, vă putem ajuta să selectați echipamentele necesare pentru testele de fezabilitate și pentru extinderea ulterioară la scară liniară. Centrul nostru tehnic și laboratorul de proces oferă, de asemenea, teste pentru a sprijini selectarea echipamentelor.
Literatură / Referințe
- 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 produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la Laborator spre dimensiunea industrială.