Ултразвучно излуживање племенитих метала

Ултразвук велике снаге је ефикасна техника за екстракцију метала као што су племенити метали и ретке земље. Овај процес ултразвучно потпомогнуте екстракције чврсто–течно познат је као соноизлуживање, лужeње или испирање. Робусни индустријски ултразвучни уређаји могу се лако инсталирати ради излуживања ретких земаља из руда, обраде рударских суспензија за потпуније издвајање или одвајања метала високе вредности (нпр. Cu, Zn, Ni) од мање вредних метала.

Ултразвучно излуживање подстиче реакцију преносом масе и растварањем, тако да се већи приноси постижу за краће време екстракције.
Главне предности ултразвучног излуживања су:

• већи принос
• потпуније излуживање
• смањена потрошња реагенаса
• блажи услови
• једноставно испитивање изводљивости
• линеарно повећање размера процеса
• једноставна инсталација ултразвучних система пуног комерцијалног обима
• веома робусни ултразвучни уређаји за токове велике запремине

Ултразвучно излуживање племенитих метала: бржа екстракција захваљујући кавитационој хемији

Издвајање племенитих метала као што су злато, сребро, платина, паладијум и родијум представља темељ савремене металургије и рециклаже – посебно при преради руда, концентрата и секундарних ресурса као што су електронски отпад и катализатори издувних гасова. Иако је конвенционално излуживање добро развијено, често је ограничено спорим преносом масе, пасивизацијом површине, непотпуним ослобађањем вредних фаза и великом потрошњом реагенаса.
Ултразвучно излуживање решава многа од ових уских грла увођењем ултразвука високог интензитета у суспензију за излуживање, чиме се знатно убрзава кинетика реакције кроз појаву познату као акустична кавитација.

Основни механизам: акустична кавитација

Када се ултразвучна енергија велике снаге спрегне са течношћу, настају микроскопски кавитациони мехурићи који се брзо формирају и колабирају. Овај колапс ствара екстремне локалне услове, укључујући:

• интензивно микромешање и смицајне силе
• микромлазеве велике брзине усмерене ка чврстим површинама
• локализоване вруће тачке (веома високе температуре и притисци у трајању од микросекунди)

Иако се ови ефекти јављају на микроскопском нивоу, снажно утичу на макроскопски процес излуживања тако што непрекидно обнављају реактивну површину и убрзавају транспорт реагенаса ка чврстим честицама и од њих.

Ултразвучно побољшано киселинско излуживање одвија се дванаест пута брже од конвенционалног киселинског излуживања захваљујући повољном механичком дејству 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

Зашто ултразвук побољшава излуживање племенитих метала

У већини система за излуживање, корак који ограничава брзину није сама хемијска реакција, већ транспорт реактаната кроз граничне слојеве, поре или пасивизирајуће површинске филмове. Ултразвучна кавитација побољшава ефикасност излуживања кроз неколико синергијских ефеката:

1. Побољшан пренос масе
   Ултразвук смањује дебљину непокретног дифузионог слоја који окружује чврсте честице. То омогућава средствима за излуживање (нпр. цијаниду, тиосулфату, хлориду, јодиду, тиоуреи или киселинским системима) да брже стигну до површине која садржи метал, док се растворени метални комплекси ефикасније уклањају.
2. Активација површине честица
   Кавитациони микромлазеви и ударни таласи непрекидно еродирају, чисте и охрапављују површине честица. Тиме се откривају свеже минералне фазе и повећава ефективна реактивна површина – што је посебно важно код тешко прерадивих руда или честица са превлакама.
3. Разарање пасивизационих слојева
   Многи минерали који садрже племените метале током излуживања формирају површинске слојеве (нпр. оксиде, сулфате, елементарни сумпор или филмове силицијум-диоксида). Ултразвук може физички да разори ове баријере, поново омогућавајући средству за излуживање приступ металној фази испод њих.
4. Побољшано продирање у порозне чврсте материјале
   Код концентрата, катализатора и честица електронског отпада, ултразвук помаже у потискивању течности у поре и микропукотине, побољшавајући приступ реагенаса племенитим металима заробљеним унутар њих.

Расподеле величине честица након ултразвучног и конвенционалног излуживања
Слика и студија: © Canciani et al., 2024

Примене: од руда до урбаног рударења

Ултразвучно излуживање се све више истражује како за примарне тако и за секундарне ресурсе:

• Злато и сребро
  Показано је да ултразвук велике снаге убрзава излуживање злата у цијанидним и алтернативним средствима за излуживање тако што побољшава транспорт и уклања ефекте пасивизације. Такође је значајан за издвајање сребра из руда и индустријских остатака.
• Метали платинске групе (PGMs)
  Издвајање платине, паладијума и родијума – посебно из истрошених катализатора издувних гасова – често се заснива на системима за излуживање на бази хлорида или киселина. Ултразвук убрзава кинетику растварања интензивирањем површинских реакција и побољшањем разлагања сложених керамичких/металних матрица.
• Електронски отпад
  Штампане плоче и електронске компоненте садрже вредне племените метале, али представљају јаке дифузионе баријере због полимера, оксида и структура састављених од више материјала. Ултразвучна обрада побољшава уједначеност излуживања и може да скрати потребно време излуживања.
• Ретке земље из пепела угља
  Пепео угља може да садржи вредне метале и ретке земље, често везане унутар минералних фаза или стакласте алуминосиликатне матрице. Ултразвучна обрада побољшава контакт између честица пепела и раствора за излуживање, што може да повећа ефикасност екстракције и скрати време излуживања.
  Прочитајте више о ултразвучном излуживању ретких земаља из пепела!

Кључне предности процеса

Са становишта процесног инжењерства, ултразвучно излуживање нуди неколико мерљивих предности:

• краће време излуживања захваљујући убрзаној кинетици
• већи приноси екстракције због побољшаног приступа површини
• мања потрошња реагенаса у многим системима (потребан је мањи вишак средства за излуживање)
• побољшана поновљивост захваљујући бољем дисперговању и мешању
• потенцијално нижа радна температура јер ултразвук надокнађује спорију термичку кинетику

Разматрања о процесу и повећање размера

Успешно ултразвучно излуживање у великој мери зависи од пројектовања процеса. Критични параметри укључују:

• густину снаге ултразвука и амплитуду
• концентрацију суспензије и расподелу величине честица
• геометрију реактора и услове струјања
• контролу температуре
• избор хемијског система за излуживање (киселински, алкални, хлоридни итд.)

Важно је да примена у индустријским размерама захтева ултразвучне реакторе велике снаге са сондом, јер соникатори са ултразвучним купатилом обично не преносе довољно енергије у густе суспензије за излуживање. Ултразвучне проточне ћелије могу се интегрисати директно у континуалне токове излуживања, омогућавајући рад чији се обим може повећавати. Hielscher соникатори високих перформанси направљени су за обраду великих запремина у захтевним условима – повећавајући приносе излужених метала уз смањење времена обраде и утицаја на животну средину.

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Hielscher ултразвучни уређаји добро су познати по највишим стандардима квалитета и пројектовања. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Hielscher ултразвучни уређаји лако подносе тешке услове и захтевна окружења.

Hielscher Ultrasonics је компанија сертификована према ISO стандардима и посебан нагласак ставља на ултразвучне уређаје високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставношћу употребе. Наравно, Hielscher ултразвучни уређаји су усаглашени са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

Литература / Референце

• 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.