Ultrazvočno izluževanje plemenitih kovin

Ultrazvok visoke moči je učinkovita tehnika za ekstrakcijo kovin, kot so plemenite kovine in redke zemlje. Ta postopek ultrazvočno podprte ekstrakcije trdno–tekoče je znan kot sonoizluževanje, izluževanje ali izpiranje. Robustne industrijske ultrazvočne naprave je mogoče preprosto namestiti za izluževanje redkih zemelj iz rud, obdelavo rudarskih suspenzij za popolnejše pridobivanje ali ločevanje kovin visoke vrednosti (npr. Cu, Zn, Ni) od manj vrednih kovin.

Ultrazvočno izluževanje spodbuja reakcijo s prenosom snovi in raztapljanjem, tako da se v krajšem času ekstrakcije dosežejo višji izkoristki.
Glavne prednosti ultrazvočnega izluževanja so:

• višji izkoristek
• popolnejše izluževanje
• manjša poraba reagentov
• blažji pogoji
• preprosto preverjanje izvedljivosti
• linearno povečevanje merila
• preprosta namestitev ultrazvočnih sistemov za polno komercialno uporabo
• zelo robustne ultrazvočne naprave za tokove z velikim volumnom

Ultrazvočno izluževanje plemenitih kovin: hitrejša ekstrakcija s kavitacijsko kemijo

Pridobivanje plemenitih kovin, kot so zlato, srebro, platina, paladij in rodij, je temelj sodobne metalurgije in recikliranja – zlasti pri predelavi rud, koncentratov in sekundarnih virov, kot so elektronski odpadki in avtomobilski katalizatorji. Čeprav je konvencionalno izluževanje dobro uveljavljeno, ga pogosto omejujejo počasen prenos snovi, pasivacija površine, nepopolno osvobajanje dragocenih faz in velika poraba reagentov.
Ultrazvočno izluževanje odpravlja številna od teh ozkih grl z vnosom ultrazvoka visoke intenzivnosti v suspenzijo za izluževanje, pri čemer izrazito pospeši reakcijsko kinetiko s pojavom, znanim kot akustična kavitacija.

Osnovni mehanizem: akustična kavitacija

Ko se ultrazvok visoke moči sklopi s tekočino, ustvari mikroskopske kavitacijske mehurčke, ki hitro nastajajo in se sesedajo. To sesedanje ustvarja lokalno omejene ekstremne pogoje, med katerimi so:

• intenzivno mikromešanje in strižne sile
• mikrocurki z veliko hitrostjo, usmerjeni proti trdnim površinam
• lokalna vroča območja (zelo visoke temperature in tlaki, ki trajajo mikrosekunde)

Čeprav ti učinki nastajajo na mikroskopski ravni, močno vplivajo na makroskopski proces izluževanja, saj nenehno obnavljajo reaktivno površino in pospešujejo transport reagentov do trdnih delcev in od njih.

Ultrazvočno izboljšano kislinsko izluževanje poteka dvanajstkrat hitreje kot konvencionalno kislinsko izluževanje zaradi ugodnega mehanskega delovanja kavitacijskih mehurčkov, ki pokajo v bližini površine. Ta pojav izboljša mešanje kislinske raztopine in s tem izboljša transportne lastnosti.
Slika in študija: © Canciani et al., 2024

Zakaj ultrazvok izboljša izluževanje plemenitih kovin

V večini sistemov za izluževanje korak, ki omejuje hitrost, ni sama kemijska reakcija, temveč transport reaktantov skozi mejne plasti, pore ali pasivacijske površinske filme. Ultrazvočna kavitacija izboljša učinkovitost izluževanja z več sinergijskimi učinki:

1. Izboljšan prenos snovi
   Ultrazvok zmanjša debelino mirujoče difuzijske plasti okoli trdnih delcev. To omogoča, da izluževalna sredstva (npr. cianid, tiosulfat, klorid, jodid, tiosečnina ali kisli sistemi) hitreje dosežejo površino, ki vsebuje kovino, medtem ko se raztopljeni kovinski kompleksi učinkoviteje odstranjujejo.
2. Aktivacija površine delcev
   Kavitacijski mikrocurki in udarni valovi nenehno erodirajo, čistijo in hrapavijo površine delcev. S tem razkrijejo sveže mineralne faze in povečajo učinkovito reaktivno površino – kar je posebej pomembno pri težko predelljivih rudah ali prevlečenih delcih.
3. Razrušitev pasivacijskih plasti
   Številni minerali, ki vsebujejo plemenite kovine, med izluževanjem tvorijo površinske plasti (npr. okside, sulfate, elementarno žveplo ali filme silicijevega dioksida). Ultrazvok lahko fizično razruši te ovire in tako ponovno omogoči dostop izluževalnega sredstva do kovinske faze pod njimi.
4. Izboljšano prodiranje v porozne trdne snovi
   Pri koncentratih, katalizatorjih in delcih elektronskih odpadkov ultrazvok pomaga potiskati tekočino v pore in mikrorazpoke ter tako izboljša dostop reagentov do vgrajenih plemenitih kovin.

Porazdelitve velikosti delcev po ultrazvočnem in konvencionalnem izluževanju
Slika in študija: © Canciani et al., 2024

Uporaba: od rud do urbanega rudarjenja

Ultrazvočno izluževanje se vse pogosteje raziskuje tako pri primarnih kot pri sekundarnih virih:

• Zlato in srebro
  Dokazano je, da ultrazvok visoke moči pospešuje izluževanje zlata s cianidom in alternativnimi izluževalnimi sredstvi, saj izboljša transport in odpravlja učinke pasivacije. Pomemben je tudi za pridobivanje srebra iz rud in industrijskih ostankov.
• Kovine platinske skupine (PGMs)
  Pridobivanje platine, paladija in rodija – zlasti iz izrabljenih avtomobilskih katalizatorjev – pogosto temelji na sistemih za izluževanje na osnovi kloridov ali kislin. Ultrazvok izboljša kinetiko raztapljanja, saj okrepi površinske reakcije in izboljša razgradnjo kompleksnih keramičnih/kovinskih matric.
• Elektronski odpadki
  Tiskana vezja in elektronske komponente vsebujejo dragocene plemenite kovine, vendar zaradi polimerov, oksidov in struktur iz več materialov predstavljajo močne difuzijske ovire. Ultrazvočna obdelava izboljša enakomernost izluževanja in lahko skrajša potrebni čas izluževanja.
• Redke zemlje iz premogovega pepela
  Premogov pepel lahko vsebuje dragocene kovine in redke zemlje, ki so pogosto vezane v mineralnih fazah ali steklasti aluminosilikatni matrici. Ultrazvočna obdelava izboljša stik med delci pepela in izluževalno raztopino, kar lahko poveča učinkovitost ekstrakcije in skrajša čas izluževanja.
  Preberite več o ultrazvočnem izluževanju redkih zemelj iz pepela!

Ključne prednosti procesa

Z vidika procesnega inženirstva ultrazvočno izluževanje ponuja več merljivih prednosti:

• krajši časi izluževanja zaradi pospešene kinetike
• višji izkoristki ekstrakcije zaradi izboljšanega dostopa do površine
• manjša poraba reagentov v številnih sistemih (potreben je manjši presežek izluževalnega sredstva)
• izboljšana ponovljivost zaradi boljšega dispergiranja in mešanja
• potencialno nižja obratovalna temperatura, ker ultrazvok nadomesti počasnejšo termično kinetiko

Procesni vidiki in povečevanje merila

Uspešno ultrazvočno izluževanje je močno odvisno od zasnove procesa. Ključni parametri vključujejo:

• gostoto ultrazvočne moči in amplitudo
• koncentracijo suspenzije in porazdelitev velikosti delcev
• geometrijo reaktorja in pogoje pretoka
• uravnavanje temperature
• izbiro kemijskega sistema za izluževanje (kisli, alkalni, kloridni itd.)

Pomembno je, da izvedba v industrijskem merilu zahteva ultrazvočne reaktorje visoke moči s sondo, saj ultrazvočne kopeli običajno ne dovajajo dovolj energije v goste suspenzije za izluževanje. Ultrazvočne pretočne celice je mogoče vgraditi neposredno v kontinuirane tokokroge za izluževanje, kar omogoča obratovanje s povečevanjem merila. Visokozmogljivi sonikatorji Hielscher so zasnovani za obdelavo velikih volumnov v zahtevnih pogojih – povečujejo izkoristke izluženih kovin ter hkrati skrajšujejo čas obdelave in zmanjšujejo vpliv na okolje.

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost, izdelana v Nemčiji

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključevanje naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke pogoje in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in namenja poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in uporabniku prijaznim upravljanjem. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / reference

• 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.