Ultrazvočno izpiranje plemenitih kovin

Močni ultrazvok je učinkovita tehnika za ekstrakcijo kovin, kot so plemenite kovine in redke zemlje. Ta proces ultrazvočno podprte ekstrakcije trdne tekočine je znan kot sono-izpiranje, liksiviacija ali pranje. Robustni industrijski ultrazvočni aparati se lahko enostavno namestijo za izpiranje redkih zemelj iz rud, za obdelavo rudarskih gnojevk za popolnejšo predelavo ali za ločevanje kovin visoke vrednosti (npr. Cu, Zn, Ni) od manj dragocenih kovin.

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

• Višji donos
• popolnejše izpiranje
• zmanjšana poraba reagenta
• blažji pogoji
• enostavno preizkušanje izvedljivosti
• Linearno povečanje
• enostavna namestitev popolnoma komercialnih ultrazvočnih sistemov
• zelo robustni ultrazvočni aparati za velike količine tokov

Ultrazvočno luženje 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 odpadna elektronska oprema in katalizatorji. Čeprav je konvencionalno luženje dobro uveljavljeno, ga pogosto omejujejo počasen prenos mase, pasivacija površin, nepopolno sproščanje dragocenih faz in velika poraba reagentov.
Ultrazvočno luženje odpravlja mnoga od teh ozkih grl z vnosom ultrazvoka visoke intenzivnosti v lužilno suspenzijo, kar močno okrepi reakcijsko kinetiko zaradi pojava, znanega kot akustična kavitacija.

Osnovni mehanizem: Akustična kavitacija

Ko se ultrazvok visoke moči poveže s tekočino, ustvari mikroskopske kavitacijske mehurčke, ki hitro nastanejo in razpadejo. To sesedanje povzroči ekstremne lokalne pogoje, vključno z:

• intenzivno mikromešanje in strižne sile
• usmerjanje mikrodvigal z visoko hitrostjo na trdne površine.
• lokalizirane vroče točke (zelo visoke temperature in tlaki za mikrosekunde).

Čeprav se ti učinki pojavljajo na mikroskopski ravni, močno vplivajo na makroskopski proces luženja, saj nenehno obnavljajo reaktivno površino in pospešujejo prenos reagentov na trdne delce in z njih.

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

Zakaj ultrazvok izboljša luženje plemenitih kovin

V večini sistemov luženja hitrost omejujoča stopnja ni sama kemijska reakcija, temveč prenos reaktantov skozi mejne plasti, pore ali pasivne površinske filme. Ultrazvočna kavitacija izboljša učinkovitost luženja z več sinergijskimi učinki:

1. Izboljšan prenos mase
   Ultrazvok zmanjša debelino stagnirajoče difuzijske plasti, ki obdaja trdne delce. To omogoča, da liksivatorji (npr. cianid, tiosulfat, klorid, jodid, tiourea ali kisli sistemi) hitreje dosežejo površino s kovino, medtem ko se raztopljeni kovinski kompleksi učinkoviteje odstranijo.
2. Aktivacija površine delcev
   Kavitacijski mikrodelci in udarni valovi nenehno erodirajo, čistijo in hrapavijo površine delcev. To razkrije sveže mineralne faze in poveča učinkovito reaktivno površino. – zlasti pomembno pri ognjevzdržnih rudah ali prevlečenih delcih.
3. Prekinitev pasivacijskih plasti
   Številni minerali, ki vsebujejo plemenite kovine, med izpiranjem tvorijo površinske plasti (npr. okside, sulfate, elementarno žveplo ali plasti silicijevega dioksida). Ultrazvok lahko fizično poruši te ovire in tako omogoči dostop lužila do osnovne kovinske faze.
4. Izboljšano prodiranje v porozne trdne snovi
   Pri koncentratih, katalizatorjih in delcih e-odpadkov ultrazvok pomaga potisniti tekočino v pore in mikrorazpoke, kar izboljša dostop reagentov do vgrajenih plemenitih kovin.

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

Uporaba: Od rud do mestnega rudarjenja

Ultrazvočno luženje se vse bolj raziskuje tako v primarnih kot sekundarnih virih:

• Zlato in srebro
  Pokazalo se je, da moč ultrazvoka pospeši izpiranje zlata v cianidu in alternativnih liksivatorjih z izboljšanjem transporta in odstranitvijo pasivacijskih učinkov. Pomembna je tudi za pridobivanje srebra iz rud in industrijskih ostankov.
• Kovine platinske skupine (PGM)
  Pridobivanje platine, paladija in rodija – zlasti iz izrabljenih katalizatorjev – se pogosto zanaša na kloridne ali kisle sisteme luženja. Ultrazvok izboljša kinetiko raztapljanja, saj okrepi površinske reakcije in izboljša razgradnjo kompleksnih keramičnih/kovinskih matric.
• Elektronski odpadki
  Plošče tiskanih vezij in elektronske komponente vsebujejo dragocene plemenite kovine, vendar so zaradi polimerov, oksidov in večmaterialnih struktur močno ovirane pri difuziji. Ultrazvočna obdelava izboljša enakomernost luženja in lahko skrajša potreben čas luženja.

Glavne prednosti procesa

Z vidika procesnega inženirstva ultrazvočno luženje ponuja več merljivih prednosti:

• krajši čas izpiranja zaradi pospešene kinetike
• večji donosi zaradi boljšega dostopa do površine.
• manjša poraba reagentov v številnih sistemih (potrebno je manj odvečnega liksivanta).
• izboljšana ponovljivost zaradi boljše disperzije in mešanja
• potencialno nižja delovna temperatura, saj ultrazvok kompenzira počasnejšo termično kinetiko.

Razmisleki o procesu in povečanju obsega

Uspešno ultrazvočno luženje je močno odvisno od zasnove postopka. Kritični parametri vključujejo:

• gostota in amplituda ultrazvočne moči
• koncentracija suspenzije in porazdelitev velikosti delcev
• geometrija reaktorja in pogoji pretoka
• Nadzor temperature
• izbira kemijskega načina luženja (kislo, alkalno, kloridno itd.)

Pomembno je, da so za izvajanje v industrijskem obsegu potrebni ultrazvočni reaktorji z visoko močjo, saj sonikatorji v kopeli običajno ne zagotavljajo dovolj energije v gostih lužilnih suspenzijah. Inline ultrazvočne pretočne celice se lahko vključijo v krogotoke za neprekinjeno luženje, kar omogoča razširljivo delovanje. Hielscherjevi visokozmogljivi sonikatorji so namenjeni obdelavi velikih količin v zahtevnih pogojih – povečanje izkoristka izluženih kovin ob hkratnem skrajšanju časa obdelave in zmanjšanju vpliva na okolje.

Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji

Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Literatura / Reference