Ultrazvukové lúhovanie drahých kovov

Výkonový ultrazvuk je účinná technika na extrakciu kovov, ako sú drahé kovy a prvky vzácnych zemín. Tento proces ultrazvukom podporovanej extrakcie v sústave tuhá látka–kvapalina sa označuje ako sonolúhovanie, lixiviácia alebo premývanie. Robustné priemyselné ultrazvukové zariadenia možno jednoducho nainštalovať na lúhovanie prvkov vzácnych zemín z rúd, na spracovanie banských kalov s cieľom úplnejšieho získania kovov alebo na oddelenie kovov s vysokou hodnotou (napr. Cu, Zn, Ni) od menej hodnotných kovov.

Ultrazvukové lúhovanie podporuje reakciu prostredníctvom prenosu hmoty a rozpúšťania, takže sa dosahujú vyššie výťažky za kratší čas extrakcie.
Hlavné výhody ultrazvukového lúhovania sú:

• vyšší výťažok
• úplnejšie lúhovanie
• nižšia spotreba činidiel
• miernejšie podmienky
• jednoduché overenie uskutočniteľnosti
• lineárne zväčšovanie mierky procesu
• jednoduchá inštalácia ultrazvukových systémov pre plnú komerčnú prevádzku
• veľmi robustné ultrazvukové zariadenia pre prúdy s veľkým objemovým prietokom

Ultrazvukové lúhovanie drahých kovov: rýchlejšia extrakcia vďaka kavitačnej chémii

Získavanie drahých kovov, ako sú zlato, striebro, platina, paládium a ródium, je základným pilierom modernej metalurgie a recyklácie – najmä pri spracovaní rúd, koncentrátov a druhotných surovín, ako sú elektronický šrot a automobilové katalyzátory. Hoci je konvenčné lúhovanie dobre zavedené, často ho obmedzuje pomalý prenos hmoty, pasivácia povrchu, neúplné uvoľnenie hodnotných fáz a vysoká spotreba činidiel.
Ultrazvukové lúhovanie rieši mnohé z týchto obmedzení zavádzaním ultrazvuku s vysokou intenzitou do lúhovacej suspenzie, čím výrazne zintenzívňuje reakčnú kinetiku prostredníctvom javu známeho ako akustická kavitácia.

Základný mechanizmus: akustická kavitácia

Keď sa ultrazvuk s vysokým výkonom prenáša do kvapaliny, vytvára mikroskopické kavitačné bubliny, ktoré rýchlo vznikajú a kolabujú. Tento kolaps vytvára extrémne lokálne podmienky vrátane:

• intenzívneho mikromiešania a šmykových síl
• vysokorýchlostných mikroprúdov smerujúcich na povrchy tuhých látok
• lokálnych horúcich miest (veľmi vysokých teplôt a tlakov trvajúcich mikrosekundy)

Hoci tieto účinky prebiehajú v mikroskopickej mierke, výrazne ovplyvňujú makroskopický proces lúhovania tým, že neustále obnovujú reaktívny povrch a urýchľujú transport činidiel k tuhým časticiam aj od nich.

Ultrazvukom zintenzívnené kyslé lúhovanie prebieha dvanásťkrát rýchlejšie než konvenčné kyslé lúhovanie vďaka priaznivému mechanickému pôsobeniu kavitačných bublín kolabujúcich v blízkosti povrchu. Tento jav zlepšuje miešanie kyslého roztoku, čím zlepšuje transportné vlastnosti.
Obrázok a štúdia: © Canciani et al., 2024

Prečo ultrazvuk zlepšuje lúhovanie drahých kovov

Vo väčšine lúhovacích systémov nie je krokom určujúcim rýchlosť samotná chemická reakcia, ale skôr transport reaktantov cez hraničné vrstvy, póry alebo pasivačné povrchové filmy. Ultrazvuková kavitácia zlepšuje účinnosť lúhovania prostredníctvom viacerých synergických účinkov:

1. Zlepšený prenos hmoty
   Ultrazvuk zmenšuje hrúbku stagnujúcej difúznej vrstvy obklopujúcej tuhé častice. Vďaka tomu sa lúhovacie činidlá (napr. kyanid, tiosíran, chlorid, jodid, tiomočovina alebo kyslé systémy) dostanú rýchlejšie k povrchu obsahujúcemu kovy, zatiaľ čo rozpustené komplexy kovov sa účinnejšie odvádzajú.
2. Aktivácia povrchu častíc
   Kavitačné mikroprúdy a rázové vlny neustále erodujú, čistia a zdrsňujú povrchy častíc. Tým sa odhaľujú čerstvé minerálne fázy a zväčšuje sa účinná reaktívna plocha – čo je obzvlášť dôležité pri ťažko lúhovateľných rudách alebo časticiach s povlakom.
3. Narušenie pasivačných vrstiev
   Mnohé minerály obsahujúce drahé kovy vytvárajú počas lúhovania povrchové vrstvy (napr. oxidy, sírany, elementárnu síru alebo filmy oxidu kremičitého). Ultrazvuk môže tieto bariéry fyzicky narušiť a obnoviť tak prístup lúhovacieho činidla ku kovovej fáze pod nimi.
4. Lepšie prenikanie do pórovitých tuhých látok
   Pri koncentrátoch, katalyzátoroch a časticiach elektronického odpadu ultrazvuk pomáha vtláčať kvapalinu do pórov a mikrotrhlín, čím zlepšuje prístup činidiel k drahým kovom uzavretým v materiáli.

Rozdelenia veľkosti častíc po ultrazvukovom a konvenčnom lúhovaní
Obrázok a štúdia: © Canciani et al., 2024

Oblasti použitia: od rúd po získavanie surovín z mestského odpadu

Ultrazvukové lúhovanie sa čoraz intenzívnejšie skúma pri primárnych aj druhotných surovinách:

• Zlato a striebro
  Ukázalo sa, že výkonový ultrazvuk urýchľuje lúhovanie zlata v kyanidových aj alternatívnych lúhovacích činidlách tým, že zlepšuje transport a odstraňuje účinky pasivácie. Má význam aj pri získavaní striebra z rúd a priemyselných zvyškov.
• Kovy platinovej skupiny (PGMs)
  Získavanie platiny, paládia a ródia – najmä z použitých automobilových katalyzátorov – sa často opiera o lúhovacie systémy na báze chloridov alebo kyselín. Ultrazvuk zlepšuje kinetiku rozpúšťania tým, že zintenzívňuje povrchové reakcie a zlepšuje rozrušovanie zložitých keramických/kovových matríc.
• Elektronický šrot
  Dosky plošných spojov a elektronické súčiastky obsahujú hodnotné drahé kovy, ale v dôsledku prítomnosti polymérov, oxidov a štruktúr z viacerých materiálov vytvárajú výrazné difúzne bariéry. Ultrazvukové spracovanie zlepšuje rovnomernosť lúhovania a môže skrátiť potrebný čas lúhovania.
• Prvky vzácnych zemín z uhoľného popola
  Uhoľný popol môže obsahovať hodnotné kovy a prvky vzácnych zemín, často viazané v minerálnych fázach alebo v sklovitej hlinitokremičitanovej matrici. Ultrazvukové spracovanie zlepšuje kontakt medzi časticami popola a lúhovacím roztokom, čo môže zvýšiť účinnosť extrakcie a skrátiť čas lúhovania.
  Prečítajte si viac o ultrazvukovom lúhovaní prvkov vzácnych zemín z popola!

Hlavné výhody procesu

Z pohľadu procesného inžinierstva ponúka ultrazvukové lúhovanie niekoľko merateľných výhod:

• kratší čas lúhovania vďaka zrýchlenej kinetike
• vyššie výťažky extrakcie vďaka lepšiemu prístupu k povrchu
• nižšia spotreba činidiel v mnohých systémoch (potrebný je menší nadbytok lúhovacieho činidla)
• lepšia reprodukovateľnosť vďaka lepšiemu dispergovaniu a miešaniu
• potenciálne nižšia prevádzková teplota, pretože ultrazvuk kompenzuje pomalšiu tepelnú kinetiku

Aspekty návrhu procesu a zväčšovanie jeho mierky

Úspešné ultrazvukové lúhovanie výrazne závisí od návrhu procesu. Medzi rozhodujúce parametre patria:

• hustota výkonu ultrazvuku a amplitúda
• koncentrácia suspenzie a rozdelenie veľkosti častíc
• geometria reaktora a podmienky prúdenia
• regulácia teploty
• výber chemického systému lúhovania (kyslý, zásaditý, chloridový atď.)

Dôležité je, že realizácia v priemyselnej mierke vyžaduje vysokovýkonné ultrazvukové reaktory so sondou, pretože ultrazvukové kúpele zvyčajne neprenášajú dostatok energie do hustých lúhovacích suspenzií. Prietokové ultrazvukové cely možno integrovať priamo do kontinuálnych lúhovacích okruhov, čo umožňuje zväčšovanie mierky prevádzky. Vysokovýkonné sonikátory Hielscher sú skonštruované na spracovanie veľkých objemov v náročných podmienkach – zvyšujú výťažky vylúhovaných kovov a zároveň skracujú čas spracovania a znižujú vplyv na životné prostredie.

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a konštrukcie. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových zariadení do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové zariadenia Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia, ktoré využívajú najmodernejšie technológie a vyznačujú sa používateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové zariadenia Hielscher samozrejme spĺňajú požiadavky CE aj požiadavky UL, CSA a RoHs.

Literatúra / referencie

• 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.