Ultrazvukové vyluhovanie prvkov vzácnych zemín z popola
Ultrazvukové vyluhovanie môže zvýšiť výťažnosť extrakcie a skrátiť dobu spracovania pri získavaní prvkov vzácnych zemín z popola. Vďaka zlepšeniu kontaktu medzi časticami popola a vyluhovacími činidlami vysokovýkonný ultrazvuk urýchľuje rozpúšťanie a prispieva k lepšej dostupnosti cenných prvkov. Štúdie zamerané na popol z uhlia dokazujú tento potenciál: výskumníci uvádzajú 97 % výťažnosť yttria, zatiaľ čo v samostatnej štúdii zameranej na gálium a vanád sa podarilo skrátiť dobu kyselinového lúhovania zo 180 na 20 minút.
Popol ako sekundárny zdroj prvkov vzácnych zemín
Popol predstavuje sľubný sekundárny zdroj prvkov vzácnych zemín (REE). Zvyšky po spaľovaní uhlia môžu obsahovať yttrium a ďalšie prvky vzácnych zemín, ktoré sa využívajú v elektronike, energetických technológiách a pokrokových materiáloch. Získavanie týchto prvkov z existujúcich tokov popola a jeho usadenín by mohlo diverzifikovať dodávky surovín a premeniť odpadový materiál na užitočnú surovinu.
Možnosti extrakcie závisia jednak od koncentrácie prvkov, jednak od ich dostupnosti. Popol môže obsahovať cenné prvky, avšak počas vyluhovania sa z neho uvoľní len obmedzená časť, ak okolité minerálne prostredie obmedzuje prístup činidiel. Z toho vyplýva, že zloženie popola, predúprava a chemické podmienky vyluhovania sa musia posudzovať komplexne. Získanie viacerých cenných prvkov z tej istej suroviny môže tiež zvýšiť perspektívy daného procesu.
Ultrazvukové vyluhovanie rozbíja častice popola, čím sa prvky vzácnych zemín sprístupňujú vyluhovacím činidlám. Vďaka zlepšeniu prenosu hmoty medzi časticami a činidlom zvyšuje ultrazvuková úprava výťažnosť a zároveň skracuje dobu spracovania!
Priemyselná inštalácia ultrazvukových zariadení spoločnosti Hielscher: zoskupenie ultrazvukových zariadení s výkonom 48 kW na inline vyluhovanie prvkov vzácnych zemín z uhoľného popola
Ako ultrazvuk zlepšuje vyluhovanie popola
Výkonný ultrazvuk zintenzívňuje extrakciu z pevnej fázy do kvapalnej prostredníctvom akustickej kavitácie. V kvapaline sa vytvárajú a zrútia mikroskopické bubliny, čím vznikajú lokálne šmykové sily, mikroprúdy a intenzívne premiešavanie. Tieto účinky môžu rozptýliť zhluky častíc, vyčistiť odkryté povrchy a zlepšiť transport extrakčných činidiel k reaktívnym miestam. Rozpustené látky sa odstraňujú rýchlejšie, čo prispieva k udržaniu rozpúšťania.
Pri spracovaní popola prinášajú tieto účinky niekoľko praktických výhod:
- Rýchlejšie vyluhovanie: Zvýšený prenos hmoty môže skrátiť čas potrebný na extrakciu dostupných kovov.
- Vyššie výťažky extrakcie: Lepší kontakt s povrchom môže pomôcť uvoľniť látku, ktorá pri bežnom miešaní zostáva nedostatočne vylúhovaná.
- Kombinácia s predúpravou: Ultrazvuk môže zintenzívniť fázu vyluhovania po tom, čo aktivácia sprístupnila odolné fázy.
- Flexibilný vývoj procesov: Ultrazvukové ošetrzenie je možné prispôsobiť rôznym koncentráciám kyseliny, obsahu tuhých látok, teplote a dĺžke trvania ošetrzovania.
Príklady výskumu: Vysoké výnosy a kratšie doby vyplavovania
Nasledujúce štúdie ilustrujú tieto výhody za konkrétnych experimentálnych podmienok. Yttrium je prvok vzácnych zemín; gálium a vanád sú ďalšie cenné kovy. Ich extrakcia poskytuje doplňujúce dôkazy o účinnosti ultrazvukového spracovania popola.
Yttrium a vanád: Účinnosť extrakcie až 97 % a 100 %
Masoum a kol. (2021) skúmali extrakciu vanádu a yttria z uhoľného popolčeka s využitím kyseliny sírovej, peroxidu vodíka a ultrazvuku. Výskumníci použili metodiku odozvovej plochy na optimalizáciu pomeru pevnej fázy k kvapalnej fáze a pomerov kyseliny sírovej a peroxidu vodíka. Za optimalizovaných podmienok dosiahla uvádzaná miera extrakcie 100 % v prípade vanádu a 97 % v prípade yttria.
Modifikovaný model s zmenšujúcim sa jadrom naznačil, že rýchlosť reakcie riadi difúzia hmoty. Tento zistenie zdôrazňuje dôležitosť transportných procesov v skúmanom systéme a podporuje zameranie sa na prenos hmoty pri optimalizácii procesu. Výsledky dokazujú, že kombinovanou úpravou je možné dosiahnuť vysokú extrakciu yttria, hoci uvedené výťažky odrážajú použitie kompletného súboru činidiel a ultrazvukového systému.
FESEM snímky surového uhoľného popola: (a) vľavo pred vyluhovaním uhoľného popola, (b) po ultrazvukovom vyluhovaní.
Štúdia a obrázky: ©Masoum a kol., 2021
Gálium a vanád: skrátenie doby vyluhovania o 88,89 %
Zhang a kol. (2026) skúmali ultrazvukové kyslé lúhovanie po aktivácii pražením uhličitanom sodným. Optimalizovaná predúprava pozostávala z praženia pri teplote 850 °C po dobu 60 minút pri hmotnostnom pomere popolčeka k Na₂CO₃ 2:1. Následné ultrazvukové kyslé lúhovanie dosiahlo vysokú extrakciu galia a vanádu v priebehu 20 minút.
| Parameter | Ultrazvukové vyluhovanie po aktivačnom pražení | Klasické vyluhovanie |
|---|---|---|
| Doba vyluhovania | Dvadsať minút | 180 minút |
| Účinnosť vyluhovania galia | 98,14 % | 63,81 % |
| Účinnosť vyluhovania vanádu | 92,32 % | 83,56 % |
Skrátenie z 180 na 20 minút zodpovedá skráteniu fázy vyluhovania o 88,89 %. Kinetická analýza poukázala na zvýšené rýchlostné konštanty a zintenzívnenie procesov prenosu hmoty aj medzifázových reakcií. Tieto výsledky dokazujú potenciál kombinácie aktivačného praženia s ultrazvukovým vyluhovaním. Úspora času sa týka vyluhovania; praženie zostáva dodatočným krokom spracovania.
Ultrazvukom vylepšené lúhovanie kyselinou funguje dvanásťkrát rýchlejšie ako konvenčné lúhovanie kyselinou, a to vďaka priaznivému mechanickému pôsobeniu kavitačných bublín praskajúcich blízko povrchu. Tento jav zlepšuje miešanie kyslého roztoku, čím zvyšuje transportné vlastnosti.
Obrázok a štúdia: © Canciani et al., 2024
2 priemyselné ultrazvukové zariadenia typu UIP4000hdT určené na spracovanie s vysokou záťažou
Vyvinite svoj proces ultrazvukového vyluhovania na dosiahnutie vysokej výťažnosti prvkov vzácnych zemín
Pri praktickej ťažbe vzácnych zemín na vyluhovanie nadväzuje separácia a čistenie rozpustených prvkov. Vysoká účinnosť vyluhovania preto predstavuje skôr dôležitý medzivýsledok než výťažok hotového produktu zo vzácnych zemín. Hodnotenie procesu by malo zahŕňať následnú regeneráciu, spotrebu činidiel a energiu potrebnú na predúpravu aj na sonikáciu.
Spoločnosť Hielscher ponúka stolné ultrazvukové zariadenia priemyselnej kvality a ultrazvukové prietokové reaktory pre náročné podmienky určené na vývoj a zavádzanie intenzívnych procesov vyluhovania. Výber zariadenia a skúšobné prevádzky umožňujú stanoviť vhodnú amplitúdu, obsah tuhých látok, dobu zdržania a reguláciu teploty pre konkrétny popol.
Jednoduché rozšírenie výroby na veľké objemy: Akonáhle sú stanovené parametre pre optimálnu výťažnosť, je možné ich lineárne zväčšiť na akýkoľvek komerčný objem lúhovania.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, disperziu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, pilotnom a priemyselnom meradle.
SEM snímky častíc v rôznych časoch konvenčného (a–c) a ultrazvukového (d–f) lúhovania.
Obrázok a štúdia: © Canciani et al., 2024
často kladené otázky
Ako ultrazvuk zlepšuje vyluhovanie prvkov vzácnych zemín z popola?
Ultrazvuk vyvoláva akustickú kavitáciu v lúhovacej suspenzii. Kolabujúce bubliny spôsobujú intenzívne lokálne premiešavanie, strihové sily a mikroprúdy, ktoré zlepšujú kontakt medzi časticami popola a lúhovacím roztokom. Tieto účinky odhaľujú reaktívne povrchy a urýchľujú prenos hmoty, čím prispievajú k zvýšeniu výťažnosti extrakcie a skráteniu doby lúhovania.
Aké prvky vzácnych zemín a cenné kovy je možné vylúhovať z popola?
V závislosti od pôvodu a minerálneho zloženia je možné popol vylúhovať s cieľom získať prvky vzácnych zemín, medzi ktoré patria lantán (La), cérium (Ce), neodým (Nd), dysprózium (Dy), yttrium (Y) a skandium (Sc). Letecký popol z uhlia je potenciálnym zdrojom týchto prvkov.
Medzi ďalšie cenné kovy patria gálium (Ga) a vanád (V) v vhodných uhoľných popoloch a meď (Cu) a zinok (Zn) v popoloch zo spaľovania komunálneho odpadu.
Prečo používať vysokovýkonný ultrazvukový prístroj so sondou na vyluhovanie popola?
Ultrazvukový prístroj so sondou vnáša ultrazvukovú energiu priamo do suspenzie prostredníctvom sonotródy (ultrazvukovej sondy/tyče). To umožňuje intenzívne spracovanie zmesí pevných látok a kvapalín a poskytuje nastaviteľné podmienky spracovania. Priemyselné ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher podporujú integráciu do výluhových okruhov, kde je nevyhnutný kontrolovaný prísun energie a spoľahlivá prevádzka. Konfigurácia by mala zodpovedať zloženiu suspenzie, obsahu tuhých látok a požadovanej priepustnosti.
Tu je niekoľko príkladov využitia vyluhovania od spoločnosti Hielscher:
Môžu ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher pracovať nepretržite?
Áno. Priemyselné ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher, ako napríklad modely UIP500hdT (500 W) až po UIP16000hdT (16 000 W), sú navrhnuté na nepretržitú prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Môžu byť nakonfigurované na dávkové spracovanie, recirkuláciu alebo nepretržité spracovanie prostredníctvom ultrazvukovej prietokovej komory. V prípade lúhovania popola je inštalácia integrovaná do čerpania kalov, regulácie teploty a zvoleného chemického zloženia lúhovacieho roztoku.
Je možné rozšíriť ultrazvukové vyluhovanie na priemyselnú výrobu?
Áno, ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher umožňujú lineárne zväčšovanie rozsahu. Spoločnosť Hielscher ponúka zariadenia pre laboratórne testy, pilotné spracovanie a priemyselnú výrobu, vrátane 16 kW procesorov, ktoré je možné kombinovať do klastrov. Zväčšovanie rozsahu začína testami zameranými na stanovenie vhodnej amplitúdy, príklu energie, teploty a doby zdržania. Tieto výsledky slúžia ako základ pre výber kapacity reaktora a overenie výkonu extrakcie pri požadovanej priepustnosti.
Nahrádza ultrazvuk pôsobenie kyselín alebo aktivačné praženie?
Ultrazvuk urýchľuje proces vyluhovania, zatiaľ čo chemické činidlá zabezpečujú chemické podmienky potrebné na rozpustenie cieľových prvkov. Niektoré druhy popola môžu tiež vyžadovať predbežnú úpravu, aby sa sprístupnili odolné minerálne fázy.
Ktoré parametre procesu je možné monitorovať?
Všetky ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher s výkonom od 200 wattov podporujú monitorovanie a automatické zaznamenávanie amplitúdy, výkonu, doby spracovania a teploty, pričom meranie tlaku je možné prostredníctvom voliteľného senzora. Tieto údaje pomáhajú porovnávať pokusy a spoľahlivo reprodukovať prevádzkové podmienky. Účinnosť extrakcie prvkov vzácnych zemín je potrebné stanoviť samostatne prostredníctvom chemickej analýzy vstupnej suroviny, výluhu a zostatkových tuhých látok.
Je možné používať ultrazvukové zariadenia s kyslými, abrazívnymi popolovými suspenziami?
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka riešenia na ultrazvukovú úpravu kyslých, abrazívnych kalov z popola. Sonotrody, prietokové komory, tesnenia a ďalšie komponenty prichádzajúce do styku s médiom je potrebné vyberať s ohľadom na zloženie kyseliny, jej koncentráciu, teplotu a abrazívnosť častíc.
Znamená vyššia účinnosť vyluhovania aj vyššiu konečnú výťažnosť vzácnych zemín?
Áno, vyššia účinnosť vyluhovania znamená, že sa väčšie množstvo cieľového prvku prenesie do kvapalnej fázy. Výroba použiteľného produktu zo vzácnych zemín si vyžaduje aj následnú separáciu a čistenie. Celková výťažnosť závisí od výkonnosti celého procesu.
Ako si mám vybrať ultrazvukový prístroj značky Hielscher pre môj proces?
Začnite s reprezentatívnymi vzorkami popola a určite cieľové prvky, koncentráciu suspenzie, chemické zloženie lúhovacieho roztoku, objem šarže alebo prietok a požadovanú výťažnosť extrakcie. My v spoločnosti Hielscher vám môžeme pomôcť s výberom zariadení pre skúšky realizovateľnosti a následné lineárne zväčšovanie rozsahu. Naše technické centrum a procesné laboratórium tiež ponúkajú skúšky na podporu výberu zariadení.
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.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.