Ultraljudslakning av sällsynta jordartsmetaller ur askor
Ultraljudslakning kan öka extraktionsutbytet och förkorta processtiden vid återvinning av sällsynta jordartsmetaller ur aska. Genom att förbättra kontakten mellan askpartiklar och lakningsmedel påskyndar högeffektsultraljud upplösningen och bidrar till att göra värdefulla grundämnen mer tillgängliga. Studier av kolflygaska visar potentialen: forskare rapporterade 97% extraktion av yttrium, medan en separat studie av gallium och vanadin minskade tiden för syralakning från 180 till 20 minuter.
Aska som sekundär resurs för sällsynta jordartsmetaller
Askor utgör en lovande sekundär resurs för sällsynta jordartsmetaller (REE). Rester från kolförbränning kan innehålla yttrium och andra sällsynta jordartsmetaller som används inom elektronik, energiteknik och avancerade material. Återvinning av dessa grundämnen ur befintliga askflöden och askupplag skulle kunna diversifiera råvaruförsörjningen och omvandla ett material avsett för bortskaffande till en användbar råvara.
Extraktionspotentialen beror både på grundämnenas koncentration och på deras tillgänglighet. En aska kan innehålla värdefulla grundämnen men ändå bara avge en begränsad andel vid lakning om den omgivande mineralmatrisen begränsar reagensernas åtkomst. Därför måste askans sammansättning, förbehandlingen och lakningskemin beaktas tillsammans. Att återvinna flera värdefulla grundämnen ur samma råvara kan också förbättra förutsättningarna för en process.
Ultraljudslakning fragmenterar askpartiklar och gör sällsynta jordartsmetaller tillgängliga för lakningsreagenser. Genom att förbättra massöverföringen mellan partiklar och reagens ökar ultraljudsbehandlingen återvinningen samtidigt som processtiden förkortas!
Industriell installation av Hielscher ultraljudsapparater: ett kluster av ultraljudsapparater på 48kW för lakning av sällsynta jordartsmetaller ur kolaskor direkt i processflödet
Hur ultraljud förbättrar lakning av aska
Högeffektsultraljud intensifierar fast–vätskeextraktion genom akustisk kavitation. Mikroskopiska bubblor bildas och kollapsar i vätskan, vilket alstrar lokala skjuvkrafter, mikrostrålar och intensiv omblandning. Dessa effekter kan dispergera partikelagglomerat, rengöra exponerade ytor och förbättra transporten av lakningsmedel till reaktiva ställen. Lösta kemiska former transporteras bort snabbare, vilket bidrar till att upprätthålla upplösningen.
Vid bearbetning av aska ger dessa effekter flera praktiska fördelar:
- Snabbare lakning: Förbättrad massöverföring kan förkorta den tid som behövs för att extrahera tillgängliga metaller.
- Högre extraktionsutbyte: Förbättrad ytkontakt kan bidra till att frigöra material som förblir otillräckligt urlakat vid konventionell omblandning.
- Kombination med förbehandling: Ultraljud kan intensifiera lakningssteget efter att aktivering har gjort motståndskraftiga faser mer tillgängliga.
- Flexibel processutveckling: Ultraljudsbehandling kan utvecklas och anpassas till varierande syrakoncentration, fastämneshalt, temperatur och behandlingstid.
Forskningsexempel: höga utbyten och kortare lakningstider
Följande studier illustrerar dessa fördelar under specifika försöksbetingelser. Yttrium är en sällsynt jordartsmetall; gallium och vanadin är andra värdefulla metaller. Extraktionen av dem ger kompletterande belägg för ultraljudsbehandling av aska.
Yttrium och vanadin: upp till 97% respektive 100% extraktion
Masoum et al. (2021) undersökte extraktion av vanadin och yttrium ur kolflygaska med hjälp av svavelsyra, väteperoxid och ultraljud. Forskarna använde responsytemetodik för att optimera förhållandet mellan fast fas och vätska samt andelarna svavelsyra och väteperoxid. Under de optimerade förhållandena uppgick den rapporterade extraktionen till 100% för vanadin och 97% för yttrium.
En modifierad modell med krympande kärna indikerade att massdiffusion styrde reaktionshastigheten. Detta resultat belyser transportprocessernas betydelse i det undersökta systemet och stöder inriktningen på massöverföring vid processoptimering. Resultaten visar att hög extraktion av yttrium kan uppnås med den kombinerade behandlingen, även om de rapporterade utbytena återspeglar hela systemet med reagenser och ultraljud.
FESEM-bilder av obehandlad kolaska: (a) till vänster, före lakning av kolaskan, (b) efter ultraljudslakning.
Studie och bilder: ©Masoum et al., 2021
Gallium och vanadin: 88,89% kortare lakningstid
Zhang et al. (2026) undersökte syralakning med ultraljud efter aktiveringsrostning med natriumkarbonat. Den optimerade förbehandlingen bestod av rostning vid 850°C i 60 minuter, med ett massförhållande mellan flygaska och Na₂CO₃ på 2:1. Den efterföljande syralakningen med ultraljud gav hög extraktion av gallium och vanadin inom 20 minuter.
| Parameter | Ultraljudslakning efter aktiveringsrostning | Konventionell lakning |
|---|---|---|
| Lakningstid | 20 min | 180 min |
| Lakningseffektivitet för gallium | 98,14% | 63,81% |
| Lakningseffektivitet för vanadin | 92,32% | 83,56% |
Minskningen från 180 till 20 minuter motsvarar ett 88,89% kortare lakningssteg. Kinetisk analys indikerade ökade hastighetskonstanter och intensifiering av både massöverföring och reaktionsprocesser vid fasgränsytan. Dessa resultat visar potentialen i att kombinera aktiveringsrostning med ultraljudslakning. Tidsbesparingen gäller lakningen; rostning kvarstår som ett ytterligare processteg.
Ultraljudsförstärkt syralakning sker med en hastighet som är tolv gånger högre än vid konventionell syralakning, tack vare den gynnsamma mekaniska verkan av kavitationsbubblor som brister nära ytan. Detta fenomen förbättrar blandningen av syralösningen och därmed transportegenskaperna.
Bild och studie: © Canciani et al., 2024
2 industriella ultraljudsapparater UIP4000hdT för krävande bearbetning
Utveckla din ultraljudslakningsprocess för hög återvinning av sällsynta jordartsmetaller
Vid praktisk extraktion av sällsynta jordartsmetaller följs lakningen av separation och rening av de lösta grundämnena. Hög lakningseffektivitet utgör därför ett viktigt mellanresultat snarare än utbytet av en färdig produkt av sällsynta jordartsmetaller. Processutvärderingen bör omfatta efterföljande återvinning, reagensanvändning och den energi som krävs för både förbehandling och ultraljudsbehandling.
Hielscher erbjuder bänkmodeller av ultraljudsapparater av industrikvalitet och ultraljudsflödesreaktorer för krävande drift för att utveckla och implementera intensifierade lakningsprocesser. Genom utrustningsval och försök kan lämplig amplitud, fastämneshalt, uppehållstid och temperaturreglering fastställas för en viss aska.
Enkel uppskalning till stora volymer: När parametrarna för optimal återvinning har fastställts kan de sedan skalas upp linjärt till valfri kommersiell lakningsvolym.
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer för blandning, dispergering, emulgering och extraktion i laboratorie-, pilot- och industriell skala.
SEM-bilder av partiklar vid olika tidpunkter under konventionell lakning (a–c) och ultraljudslakning (d–f).
Bild och studie: © Canciani et al., 2024
Vanliga frågor
Hur förbättrar ultraljud lakningen av sällsynta jordartsmetaller ur aska?
Ultraljud genererar akustisk kavitation i lakningsslurryn. Kollapsande bubblor ger upphov till intensiv lokal blandning, skjuvkrafter och mikrostrålar som förbättrar kontakten mellan askpartiklarna och lakningslösningen. Dessa effekter frilägger reaktiva ytor och påskyndar massöverföringen, vilket bidrar till att öka extraktionsutbytet och förkorta lakningstiderna.
Vilka sällsynta jordartsmetaller och värdefulla metaller kan lakas ur askor?
Beroende på ursprung och mineralsammansättning kan askor lakas för att utvinna sällsynta jordartsmetaller, däribland lantan (La), cerium (Ce), neodym (Nd), dysprosium (Dy), yttrium (Y) och skandium (Sc). Kolflygaska är en potentiell källa till dessa grundämnen.
Andra värdefulla metaller är gallium (Ga) och vanadin (V) i lämpliga kolaskor samt koppar (Cu) och zink (Zn) i askor från förbränning av kommunalt avfall.
Varför använda en robust ultraljudssond för asklakning?
En ultraljudssond tillför ultraljudsenergi direkt till suspensionen genom en sonotrod (ultraljudssond/stav). Detta möjliggör intensiv behandling av blandningar av fasta ämnen och vätskor och ger justerbara processförhållanden. Hielschers industriella ultraljudsutrustning kan integreras i lakningskretsar där kontrollerad energitillförsel och tillförlitlig drift är avgörande. Konfigurationen bör anpassas till suspensionens sammansättning, fastämneshalten och den erforderliga genomströmningskapaciteten.
Här är några av Hielschers lakningstillämpningar:
Kan Hielschers ultraljudsutrustning köras kontinuerligt?
Ja. Hielschers industriella ultraljudsutrustning, från exempelvis UIP500hdT (500W) upp till UIP16000hdT (16 000W), är konstruerad för kontinuerlig drift dygnet runt, sju dagar i veckan. Utrustningen kan konfigureras för satsvis behandling, recirkulation eller kontinuerlig bearbetning genom en ultraljudsflödescell. Vid asklakning integreras installationen med pumpning av suspensionen, temperaturreglering och den valda lakningskemin.
Kan ultraljudslakning skalas upp till industriell produktion?
Ja, Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör linjär uppskalning. Hielscher erbjuder utrustning för laboratorieförsök, bearbetning i pilotskala och industriell produktion, inklusive processorer på 16 kW som kan kombineras i kluster. Uppskalningen börjar med försök för att fastställa lämplig amplitud, energitillförsel, temperatur och uppehållstid. Dessa resultat utgör grunden för att välja reaktorkapacitet och validera extraktionsprestandan vid den erforderliga genomströmningskapaciteten.
Ersätter ultraljud syror eller aktiveringsrostning?
Ultraljud intensifierar lakningsprocessen, medan kemiska reagenser ger den kemi som behövs för att lösa upp de grundämnen som ska utvinnas. Vissa askor kan också kräva förbehandling för att göra motståndskraftiga mineralfaser tillgängliga.
Vilka processparametrar kan övervakas?
All ultraljudsutrustning från Hielscher från 200 watt och uppåt stöder övervakning och automatisk registrering av amplitud, effekt, behandlingstid och temperatur, med möjlighet till tryckmätning via en tillvalsgivare. Dessa data hjälper till att jämföra försök och återskapa driftförhållanden på ett tillförlitligt sätt. Extraktionseffektiviteten för sällsynta jordartsmetaller måste bestämmas separat genom kemisk analys av ingående material, laklösning och kvarvarande fasta ämnen.
Kan ultraljudsutrustning användas med sura, abrasiva asksuspensioner?
Hielscher Ultrasonics erbjuder lösningar för ultraljudsbehandling av sura, abrasiva asksuspensioner. Sonotroder, flödesceller, tätningar och andra komponenter som kommer i kontakt med processmediet måste väljas med hänsyn till syrasammansättning, koncentration, temperatur och partiklarnas abrasivitet.
Innebär högre lakningseffektivitet högre slutlig återvinning av sällsynta jordartsmetaller?
Ja, högre lakningseffektivitet innebär att mer av det grundämne som ska utvinnas överförs till vätskefasen. För att framställa en användbar produkt av sällsynta jordartsmetaller krävs också efterföljande separation och rening. Den totala återvinningen beror på hela processens prestanda.
Hur väljer jag ultraljudsutrustning från Hielscher för min process?
Börja med representativa askprover och definiera vilka grundämnen som ska utvinnas, suspensionens koncentration, lakningskemin, satsvolymen eller flödeshastigheten samt önskat extraktionsutbyte. Vi på Hielscher kan hjälpa dig att välja utrustning för genomförbarhetsförsök och efterföljande linjär uppskalning. Vårt teknikcenter och processlaboratorium erbjuder också försök som stöd vid val av utrustning.
Litteratur / Referenser
- 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 tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från laboratorieskala till industriell skala.