Ультразвуковое выщелачивание редкоземельных элементов из золы
Ультразвуковое выщелачивание позволяет повысить выход экстракции и сократить время обработки при извлечении редкоземельных элементов из золы. Улучшая контакт между частицами золы и выщелачивающими агентами, мощный ультразвук ускоряет растворение и способствует облегчению доступа к ценным элементам. Исследования летучей золы угля демонстрируют этот потенциал: ученые сообщили о выходе итрия на уровне 97%, а в другом исследовании, посвященном галлию и ванадию, время кислотного выщелачивания удалось сократить с 180 до 20 минут.
Зола как вторичный источник редкоземельных элементов
Зола представляет собой перспективный вторичный источник редкоземельных элементов (РЗЭ). Остатки сжигания угля могут содержать иттрий и другие редкоземельные элементы, используемые в электронике, энергетических технологиях и производстве современных материалов. Извлечение этих элементов из существующих потоков золы и отвалов позволит диверсифицировать источники сырья и превратить отходы, подлежащие утилизации, в полезное сырье.
Возможности извлечения зависят как от концентрации элементов, так и от их доступности. Зола может содержать ценные элементы, однако при выщелачивании из нее может быть выделена лишь ограниченная часть этих элементов, если окружающая минеральная матрица ограничивает доступ реагентов. Следовательно, необходимо комплексно учитывать состав золы, методы ее предварительной обработки и химические условия выщелачивания. Извлечение нескольких ценных элементов из одного и того же исходного сырья также может повысить перспективность технологического процесса.
Ультразвуковое выщелачивание расщепляет частицы золы, делая редкоземельные элементы доступными для реагентов выщелачивания. Улучшая массообмен между частицами и реагентом, ультразвуковая обработка повышает выход продукта и одновременно сокращает время обработки!
Промышленная установка ультразвуковых аппаратов Hielscher: ультразвуковой кластер мощностью 48 кВт для поточного выщелачивания редкоземельных элементов из угольной золы
Как ультразвук улучшает выщелачивание золы
Мощный ультразвук усиливает процесс твердо-жидкой экстракции за счет акустической кавитации. В жидкости образуются и разрушаются микроскопические пузырьки, создавая локальные сдвиговые силы, микроструи и интенсивное перемешивание. Эти эффекты позволяют рассеивать агломераты частиц, очищать открытые поверхности и улучшать перенос выщелачивающих веществ к реакционным участкам. Растворенные вещества удаляются быстрее, что способствует поддержанию процесса растворения.
При переработке золы эти эффекты дают ряд практических преимуществ:
- Более быстрое выщелачивание: Усиление массообмена может сократить время, необходимое для извлечения доступных металлов.
- Более высокая степень извлечения: Улучшение контакта с поверхностью может способствовать высвобождению вещества, которое при обычном перемешивании выщелачивается недостаточно.
- Сочетание с предварительной обработкой: Ультразвук может усилить стадию выщелачивания после того, как в результате активации устойчивые фазы станут более доступными.
- Гибкая разработка технологических процессов: Процесс ультразвуковой обработки можно адаптировать с учетом различных значений концентрации кислоты, содержания твердых веществ, температуры и времени обработки.
Примеры исследований: высокая урожайность и сокращение времени вымывания
Приведенные ниже исследования демонстрируют эти преимущества в конкретных экспериментальных условиях. Иттрий — элемент редкоземельных металлов; галлий и ванадий — другие ценные металлы. Их извлечение служит дополнительным подтверждением эффективности ультразвуковой обработки золы.
Иттрий и ванадий: степень извлечения до 97 % и 100 %
Масум и др. (2021) исследовали методы извлечения ванадия и иттрия из летучей золы угля с использованием серной кислоты, перекиси водорода и ультразвука. Исследователи применили методологию поверхности отклика для оптимизации соотношения «твердое вещество–жидкость» и пропорций серной кислоты и перекиси водорода. В оптимизированных условиях степень извлечения, по данным исследования, достигла 100 % для ванадия и 97 % для иттрия.
Модифицированная модель «уменьшающегося ядра» показала, что скорость реакции определяется диффузией вещества. Этот вывод подчеркивает важность транспортных процессов в исследуемой системе и подтверждает целесообразность уделения особого внимания массообмену при оптимизации процесса. Результаты показывают, что при комбинированной обработке можно достичь высокого уровня извлечения иттрия, хотя приведенные данные о выходе отражают результаты использования полного набора реагентов и ультразвуковой системы.
Изображения сырой угольной золы, полученные методом FESEM: (а) до выщелачивания угольной золы, (б) после ультразвукового выщелачивания.
Исследование и изображения: ©Masoum и др., 2021
Галлий и ванадий: сокращение времени выщелачивания на 88,89 %
Чжан и др. (2026) исследовали ультразвуковое кислотное выщелачивание после обжига с активацией карбонатом натрия. Оптимизированная предварительная обработка заключалась в обжиге при температуре 850 °C в течение 60 минут с использованием массового соотношения летучей золы к Na₂CO₃, равного 2:1. Последующее ультразвуковое кислотное выщелачивание позволило достичь высокой степени извлечения галлия и ванадия в течение 20 минут.
| Параметр | Ультразвуковое выщелачивание после активирующего обжига | Традиционное выщелачивание |
|---|---|---|
| Время выщелачивания | Двадцать минут | 180 минут |
| Эффективность выщелачивания галлия | 98,14 % | 63,81 % |
| Эффективность выщелачивания ванадия | 92,32 % | 83,56 % |
Сокращение времени с 180 до 20 минут соответствует ускорению этапа выщелачивания на 88,89 %. Кинетический анализ показал увеличение констант скорости и усиление как процессов массопереноса, так и межфазных реакций. Эти результаты демонстрируют потенциал сочетания активационного обжига с ультразвуковым выщелачиванием. Экономия времени касается именно выщелачивания; обжиг остается дополнительным этапом обработки.
Кислотное выщелачивание с усиленным ультразвуковым излучением происходит со скоростью в двенадцать раз быстрее, чем обычное кислотное выщелачивание, благодаря благотворному механическому действию кавитационных пузырьков, лопающихся у поверхности. Это явление улучшает смешивание кислотных растворов, тем самым улучшая транспортные свойства.
Изображение и исследование: © Canciani et al., 2024
2 промышленных ультразвуковых аппарата UIP4000hdT для обработки в тяжелых условиях эксплуатации
Разработайте процесс ультразвукового выщелачивания, обеспечивающий высокую степень извлечения редкоземельных элементов
При промышленной добыче редкоземельных элементов после выщелачивания проводится разделение и очистка растворённых элементов. Таким образом, высокая эффективность выщелачивания является важным промежуточным результатом, а не показателем выхода готовой продукции из редкоземельных элементов. Оценка технологического процесса должна учитывать последующее извлечение, расход реагентов и энергозатраты как на предварительную обработку, так и на ультразвуковую обработку.
Компания Hielscher предлагает настольные ультразвуковые аппараты промышленного класса и высокопроизводительные ультразвуковые проточные реакторы для разработки и внедрения процессов интенсифицированного выщелачивания. Подбор оборудования и проведение испытаний позволяют определить оптимальные значения амплитуды, загрузки твердого вещества, времени пребывания и режима температурного контроля для конкретного вида золы.
Простое масштабирование до больших объемов: После определения параметров, обеспечивающих оптимальную извлечение, их можно линейно масштабировать для любого промышленного объема выщелачивания.
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для смешивания, диспергирования, эмульгирования и экстракции в лабораторном, пилотном и промышленном масштабе.
СЭМ-изображения частиц в разное время обычного (a–c) и ультразвукового (d–f) выщелачивания.
Изображение и исследование: © Canciani et al., 2024
Часто задаваемые вопросы
Как ультразвук способствует выщелачиванию редкоземельных элементов из золы?
Ультразвук вызывает акустическую кавитацию в выщелачивающей суспензии. Разрушающиеся пузырьки вызывают интенсивное локальное перемешивание, сдвиговые силы и образование микроструй, что улучшает контакт между частицами золы и выщелачивающим раствором. Эти эффекты обнажают реакционноспособные поверхности и ускоряют массоперенос, способствуя повышению выхода экстракции и сокращению времени выщелачивания.
Какие редкоземельные элементы и ценные металлы можно извлечь из золы?
В зависимости от происхождения и минерального состава золу можно подвергнуть выщелачиванию с целью извлечения редкоземельных элементов, в том числе лантана (La), церия (Ce), неодима (Nd), диспрозия (Dy), иттрия (Y) и скандия (Sc). Летучая зола угля является потенциальным источником этих элементов.
К другим ценным металлам относятся галлий (Ga) и ванадий (V) в подходящей угольной золе, а также медь (Cu) и цинк (Zn) в золе, полученной при сжигании бытовых отходов.
Почему для выщелачивания золы следует использовать ультразвуковой аппарат с высокопроизводительным зондом?
Зондовый ультразвуковой аппарат подает ультразвуковую энергию непосредственно в суспензию через сонотрод (ультразвуковой зонд/стержень). Это позволяет проводить интенсивную обработку твердо-жидких смесей и обеспечивает возможность регулировки условий обработки. Промышленное ультразвуковое оборудование компании Hielscher поддерживает интеграцию в контуры выщелачивания, где крайне важны контролируемый ввод энергии и надежная работа. Конфигурация должна соответствовать составу суспензии, содержанию твердых частиц и требуемой производительности.
Вот несколько примеров применения технологий выщелачивания компании Hielscher:
Могут ли ультразвуковые аппараты Hielscher работать в непрерывном режиме?
Да. Промышленные ультразвуковые устройства компании Hielscher, такие как UIP500hdT (500 Вт) и UIP16000hdT (16 000 Вт), рассчитаны на непрерывную работу в режиме 24/7. Их можно настроить для периодической обработки, рециркуляции или непрерывной переработки с использованием ультразвуковой проточной ячейки. Для выщелачивания золы установка интегрирована в систему перекачки шлама, системы контроля температуры и выбранный химический состав выщелачивающего раствора.
Можно ли масштабировать ультразвуковое выщелачивание для промышленного производства?
Да, ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют осуществлять линейное масштабирование. Компания Hielscher предлагает оборудование для лабораторных испытаний, пилотной переработки и промышленного производства, в том числе процессоры мощностью 16 кВт, которые можно объединять в кластеры. Масштабирование начинается с испытаний, направленных на определение подходящей амплитуды, потребляемой энергии, температуры и времени пребывания. Эти результаты служат основой для выбора мощности реактора и проверки эффективности экстракции при требуемой пропускной способности.
Заменяет ли ультразвук кислоты или обжаривание для активации?
Ультразвук усиливает процесс выщелачивания, а химические реагенты обеспечивают химические условия, необходимые для растворения целевых элементов. Некоторые виды золы могут также потребовать предварительной обработки, чтобы сделать доступными устойчивые минеральные фазы.
Какие параметры технологического процесса можно контролировать?
Все ультразвуковые аппараты Hielscher мощностью от 200 Вт и выше поддерживают мониторинг и автоматическую регистрацию амплитуды, мощности, времени обработки и температуры; измерение давления осуществляется с помощью дополнительного датчика. Эти данные помогают сравнивать результаты испытаний и надежно воспроизводить рабочие условия. Эффективность извлечения редкоземельных элементов необходимо определять отдельно путем химического анализа исходного сырья, фильтрата и оставшихся твердых веществ.
Можно ли использовать ультразвуковое оборудование с кислыми и абразивными зольными суспензиями?
Компания Hielscher Ultrasonics предлагает решения для ультразвуковой обработки кислых абразивных зольных суспензий. При выборе сонотродов, проточных камер, уплотнений и других компонентов, контактирующих с рабочей средой, необходимо учитывать состав кислоты, её концентрацию, температуру и абразивность частиц.
Означает ли более высокая эффективность выщелачивания более высокий конечный выход редкоземельных элементов?
Да, более высокая эффективность выщелачивания означает, что в жидкую фазу переносится большее количество целевого элемента. Для получения пригодного к использованию продукта из редкоземельных элементов также требуется последующее разделение и очистка. Общий коэффициент извлечения зависит от эффективности всего технологического процесса в целом.
Как выбрать ультразвуковой аппарат Hielscher для моего технологического процесса?
Начните с репрезентативных образцов золы и определите целевые элементы, концентрацию суспензии, химический состав выщелачивающего раствора, объём партии или расход, а также желаемый выход экстракции. Компания Hielscher готова помочь вам в подборе оборудования для проверочных испытаний и последующего линейного масштабирования. Наш технический центр и технологическая лаборатория также предлагают проведение испытаний для содействия в выборе оборудования.
Литература / Литература
- 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 производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому промышленного размера.