Ультразвуковое выщелачивание драгоценных металлов

Мощный ультразвук – эффективный метод извлечения металлов, в том числе драгоценных металлов и редкоземельных элементов. Этот процесс экстракции из твёрдой фазы в жидкую с помощью ультразвука известен как ультразвуковое выщелачивание, выщелачивание или промывка. Надёжные промышленные ультразвуковые аппараты легко установить для выщелачивания редкоземельных элементов из руд, обработки горнорудных пульп для более полного извлечения или отделения ценных металлов (например, Cu, Zn, Ni) от менее ценных металлов.

Ультразвуковое выщелачивание ускоряет реакцию за счёт массопереноса и растворения, позволяя достичь более высокого выхода за более короткое время экстракции.
Основные преимущества ультразвукового выщелачивания:

• более высокий выход
• более полное выщелачивание
• снижение расхода реагентов
• более мягкие условия
• простая проверка осуществимости процесса
• линейное масштабирование
• простая установка ультразвуковых систем полноценного промышленного масштаба
• очень надёжные ультразвуковые аппараты для потоков большого объёма

Ультразвуковое выщелачивание драгоценных металлов: ускоренная экстракция благодаря кавитационной химии

Извлечение драгоценных металлов, таких как золото, серебро, платина, палладий и родий, является краеугольным камнем современной металлургии и переработки отходов – особенно при переработке руд, концентратов и вторичного сырья, например электронного лома и каталитических нейтрализаторов. Хотя традиционное выщелачивание хорошо освоено, его возможности часто ограничены медленным массопереносом, пассивацией поверхности, неполным раскрытием ценных фаз и высоким расходом реагентов.
Ультразвуковое выщелачивание устраняет многие из этих ограничений путём введения высокоинтенсивного ультразвука в пульпу для выщелачивания, резко ускоряя кинетику реакций за счёт явления, известного как акустическая кавитация.

Основной механизм: акустическая кавитация

При передаче мощного ультразвука в жидкость в ней возникают микроскопические кавитационные пузырьки, которые быстро образуются и схлопываются. Их схлопывание создаёт экстремальные локальные условия, в том числе:

• интенсивное микроперемешивание и силы сдвига
• высокоскоростные микроструи, направленные на поверхности твёрдых частиц
• локальные горячие точки (очень высокие температуры и давления в течение микросекунд)

Хотя эти эффекты возникают на микроскопическом уровне, они сильно влияют на макроскопический процесс выщелачивания, непрерывно обновляя реакционноспособную поверхность и ускоряя перенос реагентов к твёрдым частицам и от них.

Кислотное выщелачивание с применением ультразвука протекает в двенадцать раз быстрее, чем традиционное кислотное выщелачивание, благодаря благоприятному механическому воздействию кавитационных пузырьков, схлопывающихся вблизи поверхности. Это явление улучшает перемешивание кислотного раствора, тем самым улучшая характеристики переноса.
Изображение и исследование: © Canciani et al., 2024

Почему ультразвук улучшает выщелачивание драгоценных металлов

В большинстве систем выщелачивания скорость процесса ограничивает не сама химическая реакция, а перенос реагентов через пограничные слои, поры или пассивирующие поверхностные плёнки. Ультразвуковая кавитация повышает эффективность выщелачивания благодаря нескольким синергетическим эффектам:

1. Усиленный массоперенос
   Ультразвук уменьшает толщину неподвижного диффузионного слоя, окружающего твёрдые частицы. Это позволяет выщелачивающим агентам (например, цианиду, тиосульфату, хлориду, иодиду, тиомочевине или кислотным системам) быстрее достигать металлсодержащей поверхности, а растворённым комплексам металлов – эффективнее удаляться.
2. Активация поверхности частиц
   Кавитационные микроструи и ударные волны непрерывно разрушают и очищают поверхности частиц, делая их более шероховатыми. Это обнажает свежие минеральные фазы и увеличивает эффективную реакционноспособную площадь – что особенно важно для упорных руд или частиц с покрытиями.
3. Разрушение пассивирующих слоёв
   Многие минералы, содержащие драгоценные металлы, при выщелачивании образуют поверхностные слои (например, оксиды, сульфаты, элементарную серу или плёнки диоксида кремния). Ультразвук может физически разрушать эти барьеры, восстанавливая доступ выщелачивающего агента к лежащей под ними металлической фазе.
4. Улучшенное проникновение в пористые твёрдые материалы
   При обработке концентратов, катализаторов и частиц электронных отходов ультразвук способствует нагнетанию жидкости в поры и микротрещины, улучшая доступ реагентов к заключённым внутри драгоценным металлам.

Распределения частиц по размерам после ультразвукового и традиционного выщелачивания
Изображение и исследование: © Canciani et al., 2024

Применение: от руд до извлечения сырья из городских отходов

Ультразвуковое выщелачивание всё активнее исследуется применительно как к первичному, так и к вторичному сырью:

• Золото и серебро
  Показано, что мощный ультразвук ускоряет выщелачивание золота в цианидных и альтернативных выщелачивающих реагентах, улучшая перенос и устраняя эффекты пассивации. Он также применим для извлечения серебра из руд и промышленных остатков.
• Металлы платиновой группы (МПГ)
  Извлечение платины, палладия и родия – особенно из отработанных каталитических нейтрализаторов – часто основано на хлоридных или кислотных системах выщелачивания. Ультразвук ускоряет кинетику растворения, интенсифицируя поверхностные реакции и улучшая разрушение сложных керамических и металлических матриц.
• Электронный лом
  Печатные платы и электронные компоненты содержат ценные драгоценные металлы, однако полимеры, оксиды и структуры из нескольких материалов создают значительные диффузионные барьеры. Обработка ультразвуком повышает равномерность выщелачивания и может сократить необходимое время выщелачивания.
• Редкоземельные элементы из угольной золы
  Угольная зола может содержать ценные металлы и редкоземельные элементы, часто связанные в минеральных фазах или стекловидной алюмосиликатной матрице. Обработка ультразвуком улучшает контакт между частицами золы и выщелачивающим раствором, что может повысить эффективность экстракции и сократить время выщелачивания.
  Узнайте больше об ультразвуковом выщелачивании редкоземельных элементов из золы!

Ключевые преимущества процесса

С точки зрения проектирования технологических процессов ультразвуковое выщелачивание обеспечивает несколько измеримых преимуществ:

• сокращение времени выщелачивания благодаря ускоренной кинетике
• более высокий выход экстракции благодаря улучшенному доступу к поверхности
• снижение расхода реагентов во многих системах (требуется меньший избыток выщелачивающего агента)
• улучшенная воспроизводимость благодаря более качественному диспергированию и перемешиванию
• потенциально более низкая рабочая температура, поскольку ультразвук компенсирует замедление кинетики термически активируемых процессов

Особенности процесса и масштабирование

Успешное ультразвуковое выщелачивание во многом зависит от проектирования процесса. Критически важные параметры включают:

• плотность мощности и амплитуду ультразвука
• концентрацию пульпы и распределение частиц по размерам
• геометрию реактора и условия течения
• контроль температуры
• выбор химической системы выщелачивания (кислотной, щелочной, хлоридной и т. д.)

Важно, что внедрение в промышленном масштабе требует мощных ультразвуковых реакторов зондового типа, поскольку ультразвуковые ванны обычно не передают достаточное количество энергии в густые пульпы для выщелачивания. Ультразвуковые проточные ячейки можно интегрировать в непрерывные контуры выщелачивания, обеспечивая возможность масштабирования процесса. Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты Hielscher созданы для обработки больших объёмов в сложных условиях – они повышают выход выщелачиваемых металлов, одновременно сокращая время обработки и воздействие на окружающую среду.

Проектирование, производство и консультирование – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Надёжность и простота эксплуатации позволяют беспрепятственно интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные предприятия. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями эксплуатации и требовательной рабочей средой.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся передовыми технологиями и удобством использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и отвечают требованиям UL, CSA и RoHs.

Литература / Ссылки

• 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.
• Wang, J.; Faraji, F.; Ghahreman, A. (2020): Effect of Ultrasound on the Oxidative Copper Leaching from Chalcopyrite in Acidic Ferric Sulfate Media. Minerals 2020, 10, 633.
• I. De La Calle, N. Cabaleiro, M. Costas, F. Pena, S. Gil, I. Lavilla, C. Bendicho (2011):
  Ultrasound-assisted extraction of gold and silver from environmental samples using different extractants followed by electrothermal-atomic absorption spectrometry. Microchemical Journal, Volume 97, Issue 2, 2011. 93-100.