Ультразвуковое выщелачивание редкоземельных элементов из золы

Ультразвуковое выщелачивание может повысить степень извлечения и сократить время обработки при извлечении редкоземельных элементов из золы. Улучшая контакт между частицами золы и выщелачивающими реагентами, мощный ультразвук ускоряет растворение и помогает сделать ценные элементы более доступными. Исследования угольной золы-уноса демонстрируют этот потенциал: исследователи сообщили об извлечении 97% иттрия, а в отдельном исследовании галлия и ванадия время кислотного выщелачивания сократилось со 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 передовых материалах. Извлечение этих элементов из существующих потоков и накоплений золы могло бы диверсифицировать поставки сырья и превратить материал, подлежащий утилизации, в полезное сырьё.
Потенциал извлечения зависит как от концентрации элементов, так и от их доступности. Зола может содержать ценные элементы, но при выщелачивании высвобождать лишь ограниченную их долю, если окружающая минеральная матрица затрудняет доступ реагентов. Поэтому состав золы, предварительную обработку и химические условия выщелачивания необходимо рассматривать совместно. Извлечение нескольких ценных элементов из одного и того же сырья также может улучшить перспективы процесса.
Ультразвуковое выщелачивание дробит частицы золы, делая редкоземельные элементы доступными для выщелачивающих реагентов. Улучшая массоперенос между частицами и реагентом, обработка ультразвуком повышает степень извлечения и одновременно сокращает время обработки!

Как ультразвук улучшает выщелачивание золы

Мощный ультразвук интенсифицирует экстракцию в системе твёрдое вещество–жидкость благодаря акустической кавитации. В жидкости образуются и схлопываются микроскопические пузырьки, создавая локальные силы сдвига, микроструи и интенсивное перемешивание. Эти эффекты могут диспергировать агломераты частиц, очищать открытые поверхности и улучшать перенос выщелачивающих реагентов к реакционноспособным участкам. Растворённые компоненты отводятся быстрее, что помогает поддерживать растворение.

При переработке золы эти эффекты обеспечивают ряд практических преимуществ:

• Более быстрое выщелачивание: Усиленный массоперенос может сократить время, необходимое для извлечения доступных металлов.
• Более высокая степень извлечения: Улучшенный контакт с поверхностью может способствовать высвобождению материала, который при обычном перемешивании остаётся недостаточно выщелоченным.
• Сочетание с предварительной обработкой: Ультразвук может интенсифицировать стадию выщелачивания после того, как активация сделала устойчивые фазы более доступными.
• Гибкая разработка процесса: Процесс обработки ультразвуком можно разработать и адаптировать к различным концентрациям кислоты, содержанию твёрдой фазы, температуре и времени обработки.

Примеры исследований: высокая степень извлечения и сокращение времени выщелачивания

Следующие исследования иллюстрируют эти преимущества в конкретных экспериментальных условиях. Иттрий является редкоземельным элементом; галлий и ванадий относятся к другим ценным металлам. Их извлечение даёт дополнительные подтверждения эффективности ультразвуковой обработки золы.

Иттрий и ванадий: извлечение до 97% и 100%

Masoum et al. (2021) исследовали извлечение ванадия и иттрия из угольной золы-уноса с использованием серной кислоты, перекиси водорода и ультразвука. Исследователи применили методологию поверхности отклика для оптимизации соотношения твёрдой и жидкой фаз и пропорций серной кислоты и перекиси водорода. В оптимизированных условиях заявленная степень извлечения достигла 100% для ванадия и 97% для иттрия.
Модифицированная модель сжимающегося ядра показала, что скорость реакции определялась диффузией вещества. Этот результат подчёркивает важность процессов переноса в исследованной системе и подтверждает целесообразность воздействия на массоперенос при оптимизации процесса. Результаты показывают, что при комбинированной обработке достижима высокая степень извлечения иттрия, хотя заявленные показатели отражают действие всей системы реагентов и ультразвука.

Изображения исходной угольной золы, полученные методом FESEM: (a) слева – угольная зола до выщелачивания, (b) после ультразвукового выщелачивания.
Исследование и изображения: ©Masoum et al., 2021

Галлий и ванадий: сокращение времени выщелачивания на 88,89%

Zhang et al. (2026) исследовали ультразвуковое кислотное выщелачивание после активационного обжига с карбонатом натрия. Оптимизированная предварительная обработка включала обжиг при 850°C в течение 60 минут с массовым соотношением золы-уноса и Na₂CO₃ 2:1. Последующее ультразвуковое кислотное выщелачивание обеспечило высокую степень извлечения галлия и ванадия за 20 минут.

Сокращение времени со 180 до 20 минут соответствует уменьшению продолжительности стадии выщелачивания на 88,89%. Кинетический анализ показал увеличение констант скорости и усиление как массопереноса, так и процессов реакции на границе раздела фаз. Эти результаты демонстрируют потенциал сочетания активационного обжига с ультразвуковым выщелачиванием. Экономия времени относится к выщелачиванию; обжиг остаётся дополнительной стадией обработки.

Кислотное выщелачивание, усиленное ультразвуком, протекает со скоростью в двенадцать раз выше, чем обычное кислотное выщелачивание, благодаря благоприятному механическому воздействию кавитационных пузырьков, схлопывающихся вблизи поверхности. Это явление улучшает перемешивание раствора кислоты, тем самым улучшая характеристики переноса.
Изображение и исследование: © Canciani et al., 2024

Разработайте свой процесс ультразвукового выщелачивания для высокой степени извлечения редкоземельных элементов

При практическом извлечении редкоземельных элементов за выщелачиванием следуют разделение и очистка растворённых элементов. Поэтому высокая эффективность выщелачивания представляет собой важный промежуточный результат, а не выход готового редкоземельного продукта. Оценка процесса должна учитывать последующее извлечение, расход реагентов и энергию, необходимую как для предварительной обработки, так и для обработки ультразвуком.
Hielscher предлагает настольные ультразвуковые аппараты промышленного класса и ультразвуковые проточные реакторы для тяжёлых условий эксплуатации, предназначенные для разработки и внедрения интенсифицированных процессов выщелачивания. Подбор оборудования и испытания позволяют определить подходящие амплитуду, содержание твёрдой фазы, время пребывания и режим регулирования температуры для конкретной золы.
Простое масштабирование до больших объёмов: После определения параметров для оптимального извлечения процесс можно линейно масштабировать до любого объёма промышленного выщелачивания.

Изображения частиц, полученные методом SEM в разные моменты времени при обычном (a–c) и ультразвуковом (d–f) выщелачивании.
Изображение и исследование: © Canciani et al., 2024

Литература / Источники

• 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.