Levigarea cu ultrasunete a elementelor de pământuri rare din cenuși
Levigarea cu ultrasunete poate crește randamentele de extracție și poate scurta duratele de procesare la recuperarea elementelor de pământuri rare din cenușă. Prin îmbunătățirea contactului dintre particulele de cenușă și agenții de levigare, ultrasunetele de putere accelerează dizolvarea și contribuie la creșterea accesibilității elementelor valoroase. Studiile pe cenușa zburătoare de cărbune demonstrează acest potențial: cercetătorii au raportat o extracție a ytriului de 97%, în timp ce un studiu separat privind galiul și vanadiul a redus durata levigării acide de la 180 la 20 de minute.
Cenușa ca resursă secundară pentru elementele de pământuri rare
Cenușile reprezintă o resursă secundară promițătoare pentru elementele de pământuri rare (REE). Reziduurile de la arderea cărbunelui pot conține ytriu și alte pământuri rare utilizate în electronică, tehnologii energetice și materiale avansate. Recuperarea acestor elemente din fluxurile și depozitele de cenușă existente ar putea diversifica aprovizionarea cu materii prime și ar putea 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 a acestora în timpul levigării dacă matricea minerală înconjurătoare restricționează accesul reactivilor. Prin urmare, compoziția cenușii, pretratarea și chimia levigării trebuie luate în considerare împreună. Recuperarea mai multor elemente valoroase din aceeași materie primă poate, de asemenea, îmbunătăți perspectivele unui proces.
Levigarea cu ultrasunete fragmentează particulele de cenușă, făcând pământurile rare accesibile reactivilor de levigare. Prin îmbunătățirea transferului de masă dintre particule și reactiv, sonicarea crește recuperarea, scurtând totodată durata de procesare!
Instalație industrială de sonicatoare Hielscher: cluster de sonicatoare de 48kW pentru levigarea în linie a elementelor de pământuri rare din cenușile de cărbune
Cum îmbunătățesc ultrasunetele levigarea cenușii
Ultrasunetele de putere intensifică extracția solid–lichid prin cavitație acustică. Bule microscopice se formează și implodează în lichid, generând forțe locale de forfecare, microjeturi și o amestecare intensă. Aceste efecte pot dispersa aglomeratele de particule, pot curăța suprafețele expuse și pot îmbunătăți transportul agenților de levigare către situsurile reactive. Speciile dizolvate sunt îndepărtate mai rapid, ceea ce contribuie la menținerea dizolvării.
În procesarea cenușii, aceste efecte oferă mai multe avantaje practice:
- Levigare mai rapidă: Transferul de masă intensificat poate scurta timpul necesar pentru extragerea metalelor accesibile.
- Randamente de extracție mai mari: Contactul îmbunătățit cu suprafața poate contribui la eliberarea materialului care rămâne insuficient levigat în cazul amestecării convenționale.
- Combinare cu pretratarea: Ultrasunetele pot intensifica etapa de levigare după ce activarea a făcut fazele rezistente mai accesibile.
- Dezvoltare flexibilă a procesului: Sonicarea poate fi dezvoltată și adaptată la valori variabile ale concentrației acidului, încărcării cu solide, temperaturii și duratei tratamentului.
Exemple din cercetare: randamente ridicate și durate de levigare mai scurte
Studiile următoare ilustrează aceste avantaje în condiții experimentale specifice. Ytriul este un element din grupa pământurilor rare; galiul și vanadiul sunt alte metale valoroase. Extracția acestora oferă dovezi complementare pentru procesarea cu ultrasunete a cenușii.
Ytriu și vanadiu: extracție de până la 97% și 100%
Masoum et al. (2021) au investigat 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, extracția raportată a atins 100% pentru vanadiu și 97% pentru ytriu.
Un model modificat al miezului în contracție a indicat că difuzia masică a controlat viteza de reacție. Această constatare evidențiază importanța proceselor de transport în sistemul investigat și susține orientarea optimizării procesului către transferul de masă. Rezultatele demonstrează că o extracție ridicată a ytriului este realizabilă cu tratamentul combinat, deși randamentele raportate reflectă întregul sistem de reactivi și ultrasunete.
Imagini FESEM ale cenușii brute de cărbune: (a) în stânga, înainte de levigarea cenușii de cărbune, (b) după levigarea cu ultrasunete.
Studiu și imagini: ©Masoum et al., 2021
Galiu și vanadiu: durată de levigare cu 88,89% mai scurtă
Zhang et al. (2026) au investigat levigarea acidă cu ultrasunete după prăjirea de activare cu carbonat de sodiu. Pretratarea optimizată a constat în prăjire la 850°C timp de 60 de minute, folosind un raport masic dintre cenușa zburătoare și Na₂CO₃ de 2:1. Levigarea acidă ulterioară cu ultrasunete a obținut o extracție ridicată a galiului și a vanadiului în decurs de 20 de minute.
| Parametru | Levigare cu ultrasunete după prăjirea de activare | Levigare convențională |
|---|---|---|
| Durata levigării | 20 min | 180 min |
| Eficiența levigării galiului | 98,14% | 63,81% |
| Eficiența levigării vanadiului | 92,32% | 83,56% |
Reducerea de la 180 la 20 de minute corespunde unei etape de levigare cu 88,89% mai scurte. Analiza cinetică a indicat constante de viteză mai mari și intensificarea atât a transferului de masă, cât și a proceselor de reacție interfacială. Aceste rezultate demonstrează potențialul combinării prăjirii de activare cu levigarea cu ultrasunete. Economia de timp se aplică levigării; prăjirea rămâne o etapă suplimentară de procesare.
Levigarea acidă intensificată cu ultrasunete se desfășoară cu o viteză de douăsprezece ori mai mare decât levigarea acidă convențională, datorită acțiunii mecanice benefice a bulelor de cavitație care se sparg în apropierea suprafeței. Acest fenomen îmbunătățește amestecarea soluției acide, intensificând astfel proprietățile de transport.
Imagine și studiu: © Canciani et al., 2024
2 sonicatoare industriale UIP4000hdT pentru procesare în regim greu
Dezvoltați-vă procesul de levigare cu ultrasunete pentru o recuperare ridicată a pământurilor rare
Pentru extracția practică a pământurilor rare, levigarea este urmată de separarea și purificarea elementelor dizolvate. Prin urmare, o eficiență ridicată a levigării reprezintă un rezultat intermediar important, și nu randamentul unui produs finit din pământuri rare. Evaluarea procesului ar trebui să includă recuperarea în etapele din aval, consumul de reactivi și energia necesară atât pentru pretratare, cât și pentru sonicare.
Hielscher oferă sonicatoare de banc de calitate industrială și reactoare ultrasonice cu flux pentru regim greu, destinate dezvoltării și implementării proceselor de levigare intensificate. Selecția echipamentelor și testele pot stabili amplitudinea, încărcarea cu solide, timpul de rezidență și controlul temperaturii adecvate pentru o anumită cenușă.
Scalare simplă la volume mari: Odată stabiliți, parametrii pentru recuperarea optimă pot fi apoi scalați liniar la orice volum comercial de levigare.
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de amestecare, dispersie, emulsionare și extracție la scară de laborator, pilot și industrială.
Imagini SEM ale particulelor la diferite momente ale levigării convenționale (a–c) și cu ultrasunete (d–f).
Imagine și studiu: © Canciani et al., 2024
Întrebări frecvente
Cum îmbunătățesc ultrasunetele levigarea pământurilor rare din cenușă?
Ultrasunetele generează cavitație acustică în suspensia de levigare. Bulele care implodează produc o amestecare locală intensă, forțe de forfecare și microjeturi care îmbunătățesc contactul dintre particulele de cenușă și soluția de levigare. Aceste efecte expun suprafețele reactive și accelerează transferul de masă, contribuind la creșterea randamentelor de extracție și la scurtarea duratelor de levigare.
Ce elemente de pământuri rare și metale valoroase pot fi levigate din cenuși?
În funcție de originea și compoziția lor minerală, cenușile pot fi levigate pentru a extrage elemente de pământuri rare, inclusiv lantan (La), ceriu (Ce), neodim (Nd), disprosiu (Dy), ytriu (Y) și scandiu (Sc). Cenușa zburătoare de cărbune este o sursă potențială a acestor elemente.
Alte metale valoroase includ galiul (Ga) și vanadiul (V) în cenușile de cărbune adecvate, precum și cuprul (Cu) și zincul (Zn) în cenușile de la incinerarea deșeurilor municipale.
De ce să utilizați un sonicator cu sondă pentru regim greu la levigarea cenușii?
Un sonicator cu sondă introduce energia ultrasonică direct în suspensie printr-o sonotrodă (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 levigare în care aportul controlat de energie și funcționarea fiabilă sunt esențiale. Configurația trebuie să corespundă compoziției suspensiei, încărcării cu solide și capacității de procesare necesare.
Iată câteva dintre aplicațiile de levigare Hielscher:
Pot funcționa sonicatoarele Hielscher în regim continuu?
Da. Sonicatoarele industriale Hielscher, precum cele de la UIP500hdT (500W) până la UIP16000hdT (16.000W), sunt proiectate pentru funcționare continuă 24/7. Acestea pot fi configurate pentru tratare în șarje, recirculare sau procesare continuă printr-o celulă de flux ultrasonică. Pentru levigarea cenușii, o instalație se integrează cu pomparea suspensiei, controlul temperaturii și chimia de levigare selectată.
Poate fi scalată levigarea cu ultrasunete la producția industrială?
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. Scalarea începe cu teste pentru stabilirea amplitudinii, aportului de energie, temperaturii și timpului de rezidență adecvate. Aceste rezultate oferă baza pentru selectarea capacității reactorului și validarea performanței de extracție la capacitatea de procesare necesară.
Înlocuiesc ultrasunetele acizii sau prăjirea de activare?
Ultrasunetele intensifică procesul de levigare, în timp ce reactivii chimici asigură chimia necesară pentru dizolvarea elementelor țintă. Unele cenuși pot necesita, de asemenea, o pretratare pentru a face accesibile fazele minerale rezistente.
Ce parametri de proces pot fi monitorizați?
Toate sonicatoarele Hielscher începând de la 200 de wați permit monitorizarea și înregistrarea automată a amplitudinii, puterii, duratei de tratament și temperaturii, măsurarea presiunii fiind disponibilă printr-un senzor opțional. Aceste date ajută la compararea testelor și la reproducerea fiabilă a condițiilor de operare. Eficiența extracției elementelor de pământuri rare trebuie determinată separat prin analiza chimică a materiei prime, a levigatului și a solidelor rămase.
Pot fi utilizate echipamentele cu ultrasunete pentru suspensii de cenușă acide și abrazive?
Hielscher Ultrasonics oferă soluții pentru sonicarea suspensiilor de cenușă acide și abrazive. Sonotrodele, celulele de flux, garniturile și celelalte componente aflate în contact cu mediul trebuie selectate în funcție de compoziția acidului, concentrație, temperatură și abrazivitatea particulelor.
O eficiență mai mare a levigării înseamnă o recuperare finală mai mare a pământurilor rare?
Da, o eficiență mai mare a levigării înseamnă că o cantitate mai mare din elementul țintă este transferată în faza lichidă. Obținerea unui produs utilizabil din pământuri rare necesită, de asemenea, separare și purificare în aval. Recuperarea globală depinde de performanța întregului proces.
Cum selectez un sonicator Hielscher pentru procesul meu?
Începeți cu probe reprezentative de cenușă și definiți elementele țintă, concentrația suspensiei, chimia de levigare, volumul șarjei sau debitul și randamentul de extracție dorit. Noi, cei de la Hielscher, vă putem ajuta să selectați echipamentele pentru testele de fezabilitate și pentru scalarea liniară ulterioară. Centrul nostru tehnic și laboratorul nostru de procese oferă, de asemenea, teste pentru a sprijini selecția 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 scară de laborator până la scară industrială.