Ултразвучно излуживање елемената ретких земаља из пепела
Ултразвучно излуживање може повећати приносе екстракције и скратити време обраде при издвајању елемената ретких земаља из пепела. Побољшавањем контакта између честица пепела и средстава за излуживање, ултразвук велике снаге убрзава растварање и помаже да вредни елементи постану доступнији. Истраживања летећег пепела од сагоревања угља показују овај потенцијал: истраживачи су пријавили екстракцију 97% итријума, док је у засебном истраживању галијума и ванадијума време киселинског излуживања скраћено са 180 на 20 минута.
Пепео као секундарни ресурс за елементе ретких земаља
Пепео представља перспективан секундарни ресурс за елементе ретких земаља (REEs). Остаци сагоревања угља могу садржати итријум и друге елементе ретких земаља који се користе у електроници, енергетским технологијама и напредним материјалима. Издвајање ових елемената из постојећих токова и наслага пепела могло би да диверсификује снабдевање сировинама и претвори материјал намењен одлагању у корисну сировину.
Потенцијал екстракције зависи и од концентрације елемената и од њихове доступности. Пепео може садржати вредне елементе, али током излуживања ослободити само ограничен удео ако околна минерална матрица ограничава приступ реагенаса. Зато се састав пепела, предтретман и хемијски услови излуживања морају разматрати заједно. Издвајање више вредних елемената из исте сировине такође може побољшати изгледе за примену процеса.
Ултразвучно излуживање уситњава честице пепела, чинећи елементе ретких земаља доступним реагенсима за излуживање. Побољшавањем преноса масе између честица и реагенса, соникација повећава степен издвајања и истовремено скраћује време обраде!
Индустријска инсталација соникатора Hielscher: група соникатора снаге 48kW за проточно излуживање елемената ретких земаља из пепела од сагоревања угља
Како ултразвук побољшава излуживање пепела
Ултразвук велике снаге интензивира екстракцију чврсто–течно посредством акустичке кавитације. У течности настају и колабирају микроскопски мехурићи, стварајући локалне силе смицања, микромлазеве и интензивно мешање. Ови ефекти могу да диспергују агломерате честица, очисте изложене површине и побољшају транспорт средстава за излуживање до реактивних места. Растворене врсте се брже одводе, што помаже да се растварање одржи.
При обради пепела, ови ефекти пружају неколико практичних предности:
- Брже излуживање: Побољшан пренос масе може скратити време потребно за екстракцију доступних метала.
- Већи приноси екстракције: Побољшан контакт са површином може помоћи у ослобађању материјала који при конвенционалном мешању остаје недовољно излужен.
- Комбиновање са предтретманом: Ултразвук може интензивирати фазу излуживања након што активација учини отпорне фазе доступнијим.
- Флексибилан развој процеса: Поступак соникације може се развијати и прилагођавати различитим концентрацијама киселине, садржајима чврсте фазе, температурама и временима обраде.
Примери истраживања: високи приноси и краће време излуживања
Следећа истраживања илуструју ове предности у специфичним експерименталним условима. Итријум је елемент ретких земаља; галијум и ванадијум су други вредни метали. Њихова екстракција пружа додатне доказе у прилог ултразвучној обради пепела.
Итријум и ванадијум: екстракција до 97% и 100%
Masoum et al. (2021) истраживали су екстракцију ванадијума и итријума из летећег пепела угља применом сумпорне киселине, водоник-пероксида и ултразвука. Истраживачи су применили методологију одзивне површине ради оптимизације односа чврсте и течне фазе и удела сумпорне киселине и водоник-пероксида. У оптимизованим условима, пријављена екстракција достигла је 100% за ванадијум и 97% за итријум.
Модификовани модел смањујућег језгра указао је на то да дифузија материје контролише брзину реакције. Овај налаз истиче значај транспортних процеса у испитиваном систему и подржава усмеравање оптимизације процеса на пренос масе. Резултати показују да се комбинованим третманом може постићи висока екстракција итријума, иако пријављени приноси одражавају деловање целокупног система реагенаса и ултразвука.
FESEM снимци сировог пепела угља: (а) лево, пре лужења пепела угља, (б) након ултразвучног лужења.
Студија и снимци: ©Masoum et al., 2021
Галијум и ванадијум: 88,89% краће време лужења
Zhang et al. (2026) истраживали су ултразвучно киселинско лужење након активационог пржења са натријум-карбонатом. Оптимизовани предтретман састојао се од пржења на 850°C током 60 минута, уз масени однос летећег пепела и Na₂CO₃ од 2:1. Накнадним ултразвучним киселинским лужењем постигнута је висока екстракција галијума и ванадијума у року од 20 минута.
| Параметар | Ултразвучно лужење након активационог пржења | Конвенционално лужење |
|---|---|---|
| Време лужења | 20 min | 180 min |
| Ефикасност лужења галијума | 98,14% | 63,81% |
| Ефикасност лужења ванадијума | 92,32% | 83,56% |
Смањење са 180 на 20 минута одговара скраћењу фазе лужења за 88,89%. Кинетичка анализа указала је на повећање константи брзине и интензивирање како преноса масе тако и реакционих процеса на граници фаза. Ови резултати показују потенцијал комбиновања активационог пржења са ултразвучним лужењем. Уштеда времена односи се на лужење; пржење остаје додатни корак обраде.
Ултразвучно потпомогнуто киселинско лужење одвија се дванаест пута брже од конвенционалног киселинског лужења, захваљујући повољном механичком деловању кавитационих мехурића који пуцају у близини површине. Ова појава побољшава мешање киселинског раствора, чиме се побољшавају транспортна својства.
Слика и студија: © Canciani et al., 2024
2 индустријска соникатора UIP4000hdT за обраду у захтевним условима
Развијте свој процес ултразвучног лужења за високо искоришћење ретких земних елемената
У практичној екстракцији ретких земних елемената, након лужења следе сепарација и пречишћавање растворених елемената. Висока ефикасност лужења стога представља важан међурезултат, а не принос готовог производа од ретких земних елемената. Процена процеса треба да обухвати искоришћење у наредним фазама, потрошњу реагенаса и енергију потребну и за предтретман и за соникацију.
Hielscher нуди стоне соникаторе индустријског квалитета и ултразвучне проточне реакторе за рад у захтевним условима ради развоја и примене интензивираних процеса лужења. Избором опреме и испитивањима могу се утврдити одговарајућа амплитуда, садржај чврсте фазе, време задржавања и контрола температуре за одређени пепео.
Једноставно повећање размера на велике запремине: Када се утврде параметри за оптимално искоришћење, они се затим могу линеарно пренети на било коју запремину лужења у комерцијалној примени.
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси за мешање, дисперговање, емулговање и екстракцију у лабораторијским, пилотским и индустријским размерама.
SEM снимци честица у различитим временским тачкама конвенционалног (a–c) и ултразвучног (d–f) лужења.
Слика и студија: © Canciani et al., 2024
Често постављана питања
Како ултразвук побољшава лужење ретких земних елемената из пепела?
Ултразвук ствара акустичну кавитацију у суспензији за лужење. Колапс мехурића изазива интензивно локално мешање, силе смицања и микромлазеве који побољшавају контакт између честица пепела и раствора за лужење. Ови ефекти откривају реактивне површине и убрзавају пренос масе, доприносећи повећању приноса екстракције и скраћењу времена лужења.
Који ретки земни елементи и вредни метали могу да се излуже из пепела?
У зависности од порекла и минералног састава, пепео се може подвргнути лужењу ради екстракције елемената ретких земаља, укључујући лантан (La), церијум (Ce), неодимијум (Nd), диспрозијум (Dy), итријум (Y) и скандијум (Sc). Летећи пепео од сагоревања угља потенцијални је извор ових елемената.
Други вредни метали обухватају галијум (Ga) и ванадијум (V) у одговарајућим врстама пепела од сагоревања угља, као и бакар (Cu) и цинк (Zn) у пепелу од спаљивања комуналног отпада.
Зашто користити соникатор са сондом за тешке услове рада при лужењу пепела?
Соникатор са сондом уноси ултразвучну енергију директно у суспензију преко сонотроде (ултразвучне сонде/шипке). То омогућава интензивну обраду смеша чврсте и течне фазе и обезбеђује подесиве услове обраде. Индустријска опрема Hielscher за соникацију подржава интеграцију у системе за лужење у којима су контролисани унос енергије и поуздан рад од суштинског значаја. Конфигурација треба да одговара саставу суспензије, садржају чврсте фазе и потребном капацитету обраде.
Ево неколико примена опреме Hielscher за лужење:
Могу ли соникатори Hielscher да раде непрекидно?
Да. Индустријски соникатори Hielscher, попут модела од UIP500hdT (500W) до UIP16000hdT (16.000W), пројектовани су за непрекидан рад 24/7. Могу се конфигурисати за шаржну обраду, рециркулацију или континуалну обраду кроз ултразвучну проточну ћелију. За лужење пепела, постројење се интегрише са системима за пумпање суспензије и контролу температуре и прилагођава одабраном хемијском поступку лужења.
Може ли се ултразвучно лужење повећати до размера индустријске производње?
Да, соникатори Hielscher омогућавају линеарно повећање размера процеса. Hielscher нуди опрему за лабораторијска испитивања, пилотску обраду и индустријску производњу, укључујући процесоре снаге 16 kW који се могу повезати у кластере. Повећање размера процеса почиње испитивањима ради утврђивања одговарајуће амплитуде, уноса енергије, температуре и времена задржавања. Ови резултати представљају основу за избор капацитета реактора и валидацију учинка екстракције при потребном капацитету обраде.
Да ли ултразвук замењује киселине или активационо пржење?
Ултразвук интензивира процес лужења, док хемијски реагенси обезбеђују хемијске услове потребне за растварање циљних елемената. Неким врстама пепела може бити потребна и претходна обрада како би отпорне минералне фазе постале доступне.
Који процесни параметри се могу пратити?
Сви соникатори Hielscher снаге од 200 вати навише подржавају праћење и аутоматско бележење амплитуде, снаге, времена обраде и температуре, уз могућност мерења притиска помоћу опционог сензора. Ови подаци помажу у поређењу испитивања и поузданом репродуковању радних услова. Ефикасност екстракције елемената ретких земаља мора се одредити засебно, хемијском анализом улазне сировине, раствора добијеног лужењем и преостале чврсте фазе.
Може ли се ултразвучна опрема користити са киселим, абразивним суспензијама пепела?
Hielscher Ultrasonics нуди решења за соникацију киселих, абразивних суспензија пепела. Сонотроде, проточне ћелије, заптивке и друге компоненте у контакту са процесном течношћу морају се одабрати у складу са киселинским саставом, концентрацијом, температуром и абразивношћу честица.
Да ли већа ефикасност лужења значи већи коначни степен издвајања елемената ретких земаља?
Да, већа ефикасност лужења значи да се већа количина циљног елемента преноси у течну фазу. Производња употребљивог производа од елемената ретких земаља захтева и накнадно одвајање и пречишћавање. Укупни степен издвајања зависи од учинка целокупног процеса.
Како да одаберем соникатор Hielscher за свој процес?
Почните са репрезентативним узорцима пепела и дефинишите циљне елементе, концентрацију суспензије, хемијски поступак лужења, запремину шарже или проток и жељени принос екстракције. Ми у компанији Hielscher можемо вам помоћи да одаберете опрему за испитивања изводљивости и накнадно линеарно повећање размера процеса. Наш технички центар и процесна лабораторија такође нуде испитивања као подршку избору опреме.
Литература / Референце
- 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 производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси у величинама од лабораторијских до индустријских.