Ultrazvukové lúhovanie prvkov vzácnych zemín z popola
Ultrazvukové lúhovanie môže zvýšiť výťažnosť extrakcie a skrátiť čas spracovania pri získavaní prvkov vzácnych zemín z popola. Zlepšením kontaktu medzi časticami popola a lúhovacími činidlami výkonový ultrazvuk urýchľuje rozpúšťanie a pomáha zlepšiť prístupnosť cenných prvkov. Štúdie uhoľného popolčeka poukazujú na tento potenciál: výskumníci uviedli 97% extrakciu ytria, zatiaľ čo samostatná štúdia zameraná na gálium a vanád skrátila čas kyslého lúhovania zo 180 na 20 minút.
Popol ako druhotný zdroj prvkov vzácnych zemín
Popol predstavuje sľubný druhotný zdroj prvkov vzácnych zemín (REEs). Zvyšky zo spaľovania uhlia môžu obsahovať ytrium a ďalšie prvky vzácnych zemín používané v elektronike, energetických technológiách a pokročilých materiáloch. Získavanie týchto prvkov z existujúcich tokov a úložísk popola by mohlo diverzifikovať dodávky surovín a premeniť materiál určený na zneškodnenie na užitočnú vstupnú surovinu.
Potenciál extrakcie závisí od koncentrácie prvkov aj od ich prístupnosti. Popol môže obsahovať cenné prvky, ale počas lúhovania uvoľniť iba ich obmedzenú časť, ak okolitá minerálna matrica obmedzuje prístup činidiel. Preto je potrebné posudzovať zloženie popola, predúpravu a chemické podmienky lúhovania spoločne. Získavanie viacerých cenných prvkov z rovnakej vstupnej suroviny môže tiež zlepšiť perspektívy procesu.
Ultrazvukové lúhovanie rozdrobuje častice popola, čím sprístupňuje prvky vzácnych zemín lúhovacím činidlám. Zlepšením prenosu hmoty medzi časticami a činidlom sonikácia zvyšuje výťažnosť a zároveň skracuje čas spracovania!
Priemyselná inštalácia sonikátorov Hielscher: zostava sonikátorov s výkonom 48kW na prietokové lúhovanie prvkov vzácnych zemín z uhoľného popola
Ako ultrazvuk zlepšuje lúhovanie popola
Výkonový ultrazvuk zintenzívňuje extrakciu v sústave tuhá látka–kvapalina prostredníctvom akustickej kavitácie. V kvapaline vznikajú a kolabujú mikroskopické bubliny, pričom vytvárajú lokálne šmykové sily, mikroprúdy a intenzívne miešanie. Tieto účinky môžu rozptyľovať aglomeráty častíc, čistiť odkryté povrchy a zlepšovať transport lúhovacích činidiel k reaktívnym miestam. Rozpustené látky sa odvádzajú rýchlejšie, čo pomáha udržiavať rozpúšťanie.
Pri spracovaní popola ponúkajú tieto účinky niekoľko praktických výhod:
- Rýchlejšie lúhovanie: Zlepšený prenos hmoty môže skrátiť čas potrebný na extrakciu prístupných kovov.
- Vyššia výťažnosť extrakcie: Zlepšený kontakt s povrchom môže pomôcť uvoľniť materiál, ktorý pri bežnom miešaní zostáva nedostatočne vylúhovaný.
- Kombinácia s predúpravou: Ultrazvuk môže zintenzívniť fázu lúhovania po tom, čo aktivácia zlepšila prístupnosť odolných fáz.
- Flexibilný vývoj procesu: Sonikáciu možno vyvíjať a prispôsobovať rôznym koncentráciám kyseliny, obsahom tuhých látok, teplotám a časom spracovania.
Príklady z výskumu: vysoká výťažnosť a kratšie časy lúhovania
Nasledujúce štúdie ilustrujú tieto výhody za konkrétnych experimentálnych podmienok. Ytrium je prvok vzácnych zemín; gálium a vanád sú ďalšie cenné kovy. Ich extrakcia poskytuje doplňujúce dôkazy o ultrazvukovom spracovaní popola.
Ytrium a vanád: extrakcia až 97% a 100%
Masoum et al. (2021) skúmali extrakciu vanádu a ytria z uhoľného popolčeka pomocou kyseliny sírovej, peroxidu vodíka a ultrazvuku. Výskumníci použili metodiku odozvových plôch na optimalizáciu pomeru tuhej a kvapalnej fázy a podielov kyseliny sírovej a peroxidu vodíka. Za optimalizovaných podmienok dosiahla uvádzaná výťažnosť extrakcie 100% v prípade vanádu a 97% v prípade ytria.
Modifikovaný model zmenšujúceho sa jadra naznačil, že rýchlosť reakcie určovala difúzia látky. Toto zistenie zdôrazňuje význam transportných procesov v skúmanom systéme a podporuje zameranie na prenos látky pri optimalizácii procesu. Výsledky ukazujú, že kombinovaným spracovaním možno dosiahnuť vysokú výťažnosť extrakcie ytria, hoci uvádzané výťažnosti odrážajú účinok celého systému činidiel a ultrazvuku.
Snímky surového uhoľného popola získané pomocou FESEM: (a) vľavo pred lúhovaním uhoľného popola, (b) po ultrazvukovom lúhovaní.
Štúdia a snímky: ©Masoum et al., 2021
Gálium a vanád: čas lúhovania kratší o 88,89%
Zhang et al. (2026) skúmali ultrazvukové kyslé lúhovanie po aktivačnom pražení s uhličitanom sodným. Optimalizovaná predúprava pozostávala z praženia pri 850°C počas 60 minút s použitím hmotnostného pomeru popolčeka k Na₂CO₃ 2:1. Následným ultrazvukovým kyslým lúhovaním sa do 20 minút dosiahla vysoká výťažnosť extrakcie gália a vanádu.
| Parameter | Ultrazvukové lúhovanie po aktivačnom pražení | Konvenčné lúhovanie |
|---|---|---|
| Čas lúhovania | 20 min | 180 min |
| Účinnosť lúhovania gália | 98,14% | 63,81% |
| Účinnosť lúhovania vanádu | 92,32% | 83,56% |
Skrátenie zo 180 na 20 minút zodpovedá skráteniu fázy lúhovania o 88,89%. Kinetická analýza naznačila zvýšenie rýchlostných konštánt a zintenzívnenie prenosu látky aj reakčných procesov na fázovom rozhraní. Tieto výsledky ukazujú potenciál kombinácie aktivačného praženia s ultrazvukovým lúhovaním. Časová úspora sa vzťahuje na lúhovanie; praženie zostáva ďalším krokom spracovania.
Ultrazvukom zintenzívnené kyslé lúhovanie prebieha dvanásťkrát rýchlejšie ako konvenčné kyslé lúhovanie vďaka priaznivému mechanickému pôsobeniu kavitačných bublín praskajúcich v blízkosti povrchu. Tento jav zlepšuje premiešavanie kyslého roztoku, čím zlepšuje transportné vlastnosti.
Snímka a štúdia: © Canciani et al., 2024
2 priemyselné sonikátory UIP4000hdT na spracovanie v náročných prevádzkových podmienkach
Vyviňte si proces ultrazvukového lúhovania na dosiahnutie vysokej výťažnosti získavania prvkov vzácnych zemín
Pri praktickej extrakcii prvkov vzácnych zemín nasleduje po lúhovaní separácia a čistenie rozpustených prvkov. Vysoká účinnosť lúhovania preto predstavuje dôležitý priebežný výsledok, nie výťažnosť konečného produktu obsahujúceho prvky vzácnych zemín. Hodnotenie procesu by malo zahŕňať následné získavanie, spotrebu činidiel a energiu potrebnú na predúpravu aj sonikáciu.
Hielscher ponúka stolové sonikátory priemyselnej kvality a ultrazvukové prietokové reaktory do náročných prevádzkových podmienok na vývoj a zavádzanie intenzifikovaných procesov lúhovania. Výberom zariadenia a skúškami možno stanoviť vhodnú amplitúdu, obsah tuhej fázy, čas zdržania a reguláciu teploty pre konkrétny popol.
Jednoduché zväčšenie mierky na veľké objemy: Po stanovení parametrov na dosiahnutie optimálnej výťažnosti možno následne lineárne zväčšiť mierku procesu na ľubovoľný objem lúhovania v komerčnej prevádzke.
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, dispergovanie, emulgovanie a extrakciu v laboratórnej, poloprevádzkovej a priemyselnej mierke.
Snímky častíc získané pomocou SEM v rôznych časoch konvenčného (a–c) a ultrazvukového (d–f) lúhovania.
Snímka a štúdia: © Canciani et al., 2024
Často kladené otázky
Ako ultrazvuk zlepšuje lúhovanie prvkov vzácnych zemín z popola?
Ultrazvuk vytvára v lúhovacej suspenzii akustickú kavitáciu. Kolabujúce bubliny vyvolávajú intenzívne lokálne premiešavanie, šmykové sily a mikroprúdy, ktoré zlepšujú kontakt medzi časticami popola a lúhovacím roztokom. Tieto účinky odhaľujú reaktívne povrchy a urýchľujú prenos látky, čím pomáhajú zvyšovať výťažnosť extrakcie a skracovať čas lúhovania.
Ktoré prvky vzácnych zemín a cenné kovy možno vylúhovať z popola?
V závislosti od pôvodu a minerálneho zloženia možno popoly lúhovať na získanie prvkov vzácnych zemín vrátane lantánu (La), céru (Ce), neodýmu (Nd), dysprózia (Dy), ytria (Y) a skandia (Sc). Uhoľný popolček je potenciálnym zdrojom týchto prvkov.
Medzi ďalšie cenné kovy patria gálium (Ga) a vanád (V) vo vhodných uhoľných popoloch a meď (Cu) a zinok (Zn) v popoloch zo spaľovania komunálneho odpadu.
Prečo používať na lúhovanie popola sondový sonikátor určený na náročnú prevádzku?
Sondový sonikátor vnáša ultrazvukovú energiu priamo do suspenzie prostredníctvom sonotródy (ultrazvukovej sondy/tyče). To umožňuje intenzívne spracovanie zmesí tuhej a kvapalnej fázy a poskytuje nastaviteľné podmienky spracovania. Priemyselné sonikačné zariadenia Hielscher umožňujú integráciu do lúhovacích okruhov, v ktorých sú nevyhnutné riadený prívod energie a spoľahlivá prevádzka. Konfigurácia by mala zodpovedať zloženiu suspenzie, podielu tuhej fázy a požadovanej kapacite spracovania.
Tu je niekoľko príkladov využitia zariadení Hielscher pri lúhovaní:
Môžu sonikátory Hielscher pracovať nepretržite?
Áno. Priemyselné sonikátory Hielscher, napríklad od UIP500hdT (500W) až po UIP16000hdT (16 000W), sú navrhnuté na nepretržitú prevádzku 24/7. Možno ich nakonfigurovať na dávkové spracovanie, recirkuláciu alebo kontinuálne spracovanie cez ultrazvukovú prietokovú celu. Pri lúhovaní popola je zariadenie integrované do systému čerpania suspenzie, regulácie teploty a zvoleného chemického postupu lúhovania.
Možno ultrazvukové lúhovanie škálovať až na priemyselnú výrobu?
Áno, sonikátory Hielscher umožňujú lineárne zväčšovanie mierky. Hielscher ponúka zariadenia na laboratórne skúšky, poloprevádzkové spracovanie a priemyselnú výrobu vrátane procesorov s výkonom 16 kW, ktoré možno spájať do zostáv. Zväčšovanie mierky sa začína skúškami na stanovenie vhodnej amplitúdy, prívodu energie, teploty a času zdržania. Tieto výsledky poskytujú základ na výber kapacity reaktora a overenie účinnosti extrakcie pri požadovanej kapacite spracovania.
Nahrádza ultrazvuk kyseliny alebo aktivačné praženie?
Ultrazvuk zintenzívňuje proces lúhovania, zatiaľ čo chemické činidlá zabezpečujú chemické podmienky potrebné na rozpustenie cieľových prvkov. Niektoré popoly môžu vyžadovať aj predúpravu na sprístupnenie odolných minerálnych fáz.
Ktoré procesné parametre možno monitorovať?
Všetky sonikátory Hielscher s výkonom od 200 wattov podporujú monitorovanie a automatický záznam amplitúdy, výkonu, času spracovania a teploty, pričom meranie tlaku je dostupné prostredníctvom voliteľného snímača. Tieto údaje pomáhajú porovnávať skúšky a spoľahlivo reprodukovať prevádzkové podmienky. Účinnosť extrakcie prvkov vzácnych zemín sa musí stanoviť samostatne chemickou analýzou vstupného materiálu, výluhu a zvyšných tuhých látok.
Možno ultrazvukové zariadenia používať s kyslými, abrazívnymi suspenziami popola?
Hielscher Ultrasonics ponúka riešenia na sonikáciu kyslých, abrazívnych suspenzií popola. Sonotródy, prietokové cely, tesnenia a ďalšie komponenty prichádzajúce do styku s kvapalinou treba vyberať s ohľadom na zloženie kyseliny, koncentráciu, teplotu a abrazívnosť častíc.
Znamená vyššia účinnosť lúhovania vyššiu konečnú výťažnosť vzácnych zemín?
Áno, vyššia účinnosť lúhovania znamená, že do kvapalnej fázy prechádza väčšie množstvo cieľového prvku. Výroba použiteľného produktu zo vzácnych zemín si vyžaduje aj následnú separáciu a čistenie. Celková výťažnosť závisí od účinnosti celého procesu.
Ako vybrať sonikátor Hielscher pre môj proces?
Začnite reprezentatívnymi vzorkami popola a stanovte cieľové prvky, koncentráciu suspenzie, chemický postup lúhovania, objem dávky alebo prietok a požadovaný výťažok extrakcie. V spoločnosti Hielscher vám môžeme pomôcť vybrať zariadenie na skúšky uskutočniteľnosti a následné lineárne zväčšovanie mierky. Naše technické centrum a procesné laboratórium ponúkajú aj skúšky na podporu výberu zariadenia.
Literatúra / Referencie
- 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 vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórnych až po priemyselné rozmery.