Ultrazvočno izluževanje redkih zemeljskih elementov iz pepela
Ultrazvočno izluževanje lahko poveča izkoristek ekstrakcije in skrajša čas obdelave pri pridobivanju elementov redkih zemelj iz pepela. Z izboljšanjem stika med delci pepela in izluževalnimi sredstvi močan ultrazvok pospeši raztapljanje in pomaga, da so dragoceni elementi lažje dostopni. Študije o letalnem pepelu iz premoga kažejo na ta potencial: raziskovalci so poročali o 97-odstotni izkoristljivosti izločanja itrija, medtem ko je ločena študija o galiju in vanadiju skrajšala čas kislega izluževanja s 180 na 20 minut.
Pepel kot sekundarni vir redkih zemeljskih elementov
Pepel predstavlja obetaven sekundarni vir redkih zemeljskih elementov (REE). Ostanki izgorevanja premoga lahko vsebujejo itrij in druge redke zemeljske elemente, ki se uporabljajo v elektroniki, energetskih tehnologijah in naprednih materialih. Izločanje teh elementov iz obstoječih tokov pepela in odlagališč bi lahko prispevalo k diverzifikaciji oskrbe s surovinami ter spremenilo odpadni material v koristno surovino.
Možnosti izkoriščanja so odvisne tako od koncentracije elementov kot tudi od njihove dostopnosti. Pepel lahko vsebuje dragocene elemente, vendar se med izluževanjem sprosti le omejen delež, če okoliška mineralna matrica omejuje dostop reagentov. Zato je treba sestavo pepela, predobdelavo in kemijo izluževanja obravnavati skupaj. Izločanje več dragocenih elementov iz iste surovine lahko prav tako izboljša perspektive postopka.
Ultrazvočno izluževanje razdrobi delce pepela, s čimer redke zemlje postanejo dostopne za reagente za izluževanje. Z izboljšanjem prenosa mase med delci in reagentom ultrazvok poveča izkoristek in hkrati skrajša čas obdelave!
Industrijska namestitev ultrazvočnih naprav podjetja Hielscher: sklop ultrazvočnih naprav z močjo 48 kW za vgrajeno izluževanje redkih zemeljskih elementov iz premogovega pepela
Kako ultrazvok izboljša izpiranje pepela
Močan ultrazvok pospeši ekstrakcijo iz trdne snovi v tekočino z akustično kavitacijo. V tekočini se tvorijo in razpadajo mikroskopske mehurčke, kar povzroča lokalne strižne sile, mikrobrizge in intenzivno mešanje. Ti učinki lahko razpršijo aglomerate delcev, očistijo izpostavljene površine in izboljšajo prenos izluževalnih sredstev do reaktivnih mest. Raztopljene snovi se hitreje odnašajo, kar pripomore k ohranjanju raztapljanja.
Pri predelavi pepela ti učinki prinašajo več praktičnih prednosti:
- Hitrejše izpiranje: Izboljšan prenos snovi lahko skrajša čas, potreben za ekstrakcijo dostopnih kovin.
- Višji izkoristki ekstrakcije: Izboljšan stik s površino lahko pripomore k sproščanju snovi, ki se pri običajnem mešanju ne izpere v zadostni meri.
- Kombinacija s predobdelavo: Ultrazvok lahko pospeši fazo izločanja, potem ko je aktivacija omogočila lažji dostop do odpornih faz.
- Prilagodljiv razvoj procesov: Ultrazvok se lahko prilagodi različnim koncentracijam kisline, vsebnosti trdnih snovi, temperaturi in trajanju obdelave.
Primeri raziskav: Visoki donosi in krajši časi izpiranja
Naslednje študije ponazarjajo te prednosti v določenih eksperimentalnih pogojih. Itrij je redkozemeljski element; galij in vanadij sta druga dragocena kovina. Njihova ekstrakcija ponuja dodatne dokaze za učinkovitost ultrazvočne obdelave pepela.
Itrij in vanadij: izkoristek do 97 % oziroma 100 %
Masoum in sod. (2021) so raziskovali ekstrakcijo vanadija in itrija iz premogovega pepela s pomočjo žveplove kisline, vodikovega peroksida in ultrazvoka. Raziskovalci so uporabili metodologijo odzivne površine za optimizacijo razmerja med trdno in tekočo snovjo ter deležev žveplove kisline in vodikovega peroksida. V optimiziranih pogojih je poročana stopnja ekstrakcije dosegla 100 % za vanadij in 97 % za itrij.
Modificirani model krčljivega jedra je pokazal, da hitrost reakcije določa difuzija mase. Ta ugotovitev poudarja pomen transportnih procesov v preučevanem sistemu in podpira osredotočanje na prenos mase med optimizacijo procesa. Rezultati kažejo, da je s kombinirano obdelavo mogoče doseči visoko izkoristljivost izločanja itrija, čeprav navedeni izkoristki odražajo celoten sistem reagentov in ultrazvoka.
FESEM-slike surovega premogovega pepela: (a) pred izluževanjem premogovega pepela, (b) po ultrazvočnem izluževanju.
Študija in slike: ©Masoum et al., 2021
Galij in vanadij: 88,89 % krajši čas izluževanja
Zhang in sod. (2026) so raziskovali ultrazvočno izluževanje s kislino po praženju z aktivacijo s natrijevim karbonatom. Optimizirana predobdelava je vključevala praženje pri 850 °C 60 minut, pri čemer je bilo uporabljeno masno razmerje med letalnim pepelom in Na₂CO₃ 2:1. Sledi je ultrazvočno izluževanje s kislino, s katerim je bila v 20 minutah dosežena visoka stopnja ekstrakcije galija in vanadija.
| Parameter | Ultrazvočno izluževanje po aktivacijskem praženju | Klasično izluževanje |
|---|---|---|
| Čas izpiranja | Dvajset minut | 180 minut |
| Učinkovitost izluževanja galija | 98,14 % | 63,81 % |
| Učinkovitost izluževanja vanadija | 92,32 % | 83,56 % |
Skrajšanje časa s 180 na 20 minut pomeni za 88,89 % krajšo fazo izluževanja. Kinetična analiza je pokazala povečane hitrostne konstante ter izboljšanje procesov prenosa mase in medfaznih reakcij. Ti rezultati dokazujejo potencial kombinacije aktivacijskega praženja z ultrazvočnim izluževanjem. Prihranek časa velja za izluževanje; praženje ostaja dodatni korak v postopku.
Ultrazvočno izboljšano kislinsko izpiranje deluje dvanajstkrat hitreje kot običajno kislinsko izpiranje zaradi koristnega mehanskega delovanja kavitacijskih mehurčkov, ki se razpočijo blizu površine. Ta pojav izboljša mešanje kislinske raztopine in s tem izboljša transportne lastnosti.
Slika in študija: © Canciani et al., 2024
2 industrijska ultrazvočna naprava UIP4000hdT za obdelavo v težkih pogojih
Razvijte svoj postopek ultrazvočnega izluževanja za visoko stopnjo izkoristka redkih zemelj
Pri praktičnem pridobivanju redkih zemelj sledi izluževanju ločevanje in čiščenje raztopljenih elementov. Visoka učinkovitost izluževanja zato predstavlja pomemben vmesni rezultat, ne pa donos končnega izdelka iz redkih zemelj. Ocena postopka bi morala vključevati nadaljnje pridobivanje, porabo reagentov ter energijo, potrebno tako za predobdelavo kot za ultrazvočno obdelavo.
Podjetje Hielscher ponuja namizne ultrazvočne naprave industrijske kakovosti ter visoko zmogljive ultrazvočne pretočne reaktorje za razvoj in izvajanje intenziviranih postopkov izluževanja. Z izbiro opreme in preskusi je mogoče določiti ustrezno amplitudo, vsebnost trdnih snovi, čas zadrževanja in nadzor temperature za določeno vrsto pepela.
Enostavno povečanje obsega na velike količine: Ko so parametri za optimalno izkoriščanje enkrat določeni, jih je mogoče linearno prilagoditi za kateri koli komercialni obseg izluževanja.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, disperzijo, emulgacijo in ekstrakcijo v laboratorijski, pilotni in industrijski ravni.
SEM slike za delce v različnih časih konvencionalnega (a-c) in ultrazvočnega (d-f) izpiranja.
Slika in študija: © Canciani et al., 2024
Pogosto zastavljena vprašanja
Kako ultrazvok izboljša izpiranje redkih zemelj iz pepela?
Ultrazvok v lužni suspenziji povzroča akustično kavitacijo. Razpadajoči mehurčki povzročajo intenzivno lokalno mešanje, strižne sile in mikro curke, ki izboljšujejo stik med delci pepela in lužno raztopino. Ti učinki razkrivajo reaktivne površine in pospešujejo prenos mase, s čimer prispevajo k povečanju izkoristka ekstrakcije in skrajšanju časa luženja.
Kateri redkozemeljski elementi in dragocene kovine se lahko izločijo iz pepela?
Glede na izvor in mineralno sestavo je mogoče iz pepela z izluževanjem pridobiti redke zemeljske elemente, med katerimi so lantan (La), cerij (Ce), neodim (Nd), disprosij (Dy), itrij (Y) in skandij (Sc). Letni premogov prah je potencialni vir teh elementov.
Med druge dragocene kovine spadajo galij (Ga) in vanadij (V) v ustreznih premogovnih pepeli ter baker (Cu) in cink (Zn) v pepeli iz sežiganja komunalnih odpadkov.
Zakaj za izluževanje pepela uporabljati ultrazvočni aparat z visoko zmogljivo sondo?
Ultrazvočni aparat s sondo vnaša ultrazvočno energijo neposredno v suspenzijo prek sonotrode (ultrazvočne sonde/palice). To omogoča intenzivno obdelavo mešanic trdnih snovi in tekočin ter zagotavlja nastavljive pogoje obdelave. Hielscherjeva industrijska oprema za ultrazvočno obdelavo omogoča vgradnjo v kroge izluževanja, kjer sta nadzorovan vnos energije in zanesljivo delovanje bistvenega pomena. Konfiguracija mora biti prilagojena sestavi suspenzije, vsebnosti trdnih snovi in zahtevani zmogljivosti.
Tukaj je nekaj primerov uporabe izluževanja s tehnologijo Hielscher:
Ali lahko ultrazvočni aparati Hielscher delujejo neprekinjeno?
Da. Industrijski ultrazvočni aparati podjetja Hielscher, kot so modeli od UIP500hdT (500 W) do UIP16000hdT (16.000 W), so zasnovani za neprekinjeno delovanje 24 ur na dan, 7 dni na teden. Lahko se jih konfigurira za obdelavo v serijah, recirkulacijo ali neprekinjeno obdelavo prek ultrazvočne pretočne celice. Za izluževanje pepela je vgrajena naprava za črpanje suspenzije, nadzor temperature in izbrano kemijsko sredstvo za izluževanje.
Ali je mogoče ultrazvočno izluževanje razširiti na industrijsko proizvodnjo?
Da, ultrazvočni aparati podjetja Hielscher omogočajo linearno povečanje obsega. Hielscher ponuja opremo za laboratorijske poskuse, pilotno obdelavo in industrijsko proizvodnjo, vključno s 16-kW procesorji, ki jih je mogoče združiti v skupine. Širitev obsega se začne s poskusi za določitev ustrezne amplitude, vnosa energije, temperature in časa zadrževanja. Ti rezultati predstavljajo osnovo za izbiro zmogljivosti reaktorja in potrditev učinkovitosti ekstrakcije pri zahtevani zmogljivosti.
Ali ultrazvok nadomešča kisline ali aktivacijsko praženje?
Ultrazvok pospeši proces izluževanja, medtem ko kemična reagenta zagotavljata kemijske pogoje, potrebne za raztapljanje ciljnih elementov. Pri nekaterih vrstah pepela je morda potrebna tudi predobdelava, da se omogoči dostop do odpornih mineralnih faz.
Kateri procesni parametri se lahko spremljajo?
Vsi ultrazvočni aparati Hielscher z močjo od 200 vatov naprej omogočajo spremljanje in samodejno beleženje amplitude, moči, časa obdelave in temperature, merjenje tlaka pa je mogoče z dodatnim senzorjem. Ti podatki omogočajo primerjavo poskusov in zanesljivo ponovitev delovnih pogojev. Učinkovitost ekstrakcije elementov redkih zemelj je treba določiti ločeno s kemijsko analizo surovine, izluženine in preostalih trdnih snovi.
Ali je mogoče ultrazvočno opremo uporabljati s kislimi, abrazivnimi suspenzijami pepela?
Podjetje Hielscher Ultrasonics ponuja rešitve za ultrazvočno obdelavo kislih, abrazivnih suspenzij pepela. Sonotrode, pretočne celice, tesnila in druge komponente, ki pridejo v stik s tekočino, je treba izbrati glede na sestavo kisline, njeno koncentracijo, temperaturo in abrazivnost delcev.
Ali višja učinkovitost izpiranja pomeni višjo končno izkoristljivost redkih zemelj?
Da, višja učinkovitost izluževanja pomeni, da se večji delež ciljnega elementa prenese v tekočo fazo. Za pridobivanje uporabnega proizvoda iz redkih zemeljskih elementov so potrebni tudi nadaljnji postopki ločevanja in čiščenja. Skupna izkoristljivost je odvisna od učinkovitosti celotnega procesa.
Kako izberem Hielscherjev ultrazvočni aparat za svoj proces?
Začnite z reprezentativnimi vzorci pepela in določite ciljne elemente, koncentracijo suspenzije, kemijske lastnosti izluževanja, volumen serije ali pretok ter želeni izkoristek ekstrakcije. V podjetju Hielscher vam lahko pomagamo pri izbiri opreme za preskuse izvedljivosti in poznejše linearno povečanje obsega. Naš tehnični center in procesni laboratorij ponujata tudi preskuse v podporo izbiri opreme.
Literatura / Reference
- 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 proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.