Ultraljudsutlakning av sällsynta jordartsmetaller ur aska
Ultraljudsutlakning kan öka utvinningsgraden och förkorta bearbetningstiderna vid utvinning av sällsynta jordartsmetaller ur aska. Genom att förbättra kontakten mellan askpartiklarna och utlakningsmedlen påskyndar kraftfullt ultraljud upplösningen och bidrar till att göra värdefulla metaller mer tillgängliga. Studier av flygaska från kol visar på potentialen: forskare rapporterade en utvinningsgrad på 97 % för yttrium, medan en separat studie om gallium och vanadin minskade syrautlakningstiden från 180 till 20 minuter.
Aska som sekundär resurs för sällsynta jordartsmetaller
Aska utgör en lovande sekundär resurs för sällsynta jordartsmetaller (REE). Restprodukter från kolförbränning kan innehålla yttrium och andra sällsynta jordartsmetaller som används inom elektronik, energiteknik och avancerade material. Att utvinna dessa metaller ur befintliga askflöden och askdeponier skulle kunna diversifiera råvaruförsörjningen och förvandla ett avfallsmaterial till ett användbart råmaterial.
Utvinningspotentialen beror både på elementkoncentrationen och på tillgängligheten. En aska kan innehålla värdefulla element, men ändå endast frigöra en begränsad andel vid utlakning om den omgivande mineralmatrisen hindrar reagenset från att tränga in. Därför måste askans sammansättning, förbehandlingen och utlakningskemin beaktas i sin helhet. Att utvinna flera värdefulla element från samma råvara kan också förbättra utsikterna för en process.
Ultraljudsutlakning bryter ned askpartiklarna i fragment, vilket gör att sällsynta jordartsmetaller blir tillgängliga för utlakningsmedlen. Genom att förbättra massöverföringen mellan partiklarna och utlakningsmedlet ökar ultraljudsbehandlingen utvinningsgraden samtidigt som bearbetningstiden förkortas!
Industriell installation av Hielschers ultraljudsenheter: ett 48 kW-kluster av ultraljudsenheter för inline-utlakning av sällsynta jordartsmetaller ur kolaska
Hur ultraljud förbättrar urlakningen av aska
Kraftfull ultraljud förstärker extraktionen mellan fasta ämnen och vätska genom akustisk kavitation. Mikroskopiska bubblor bildas och kollapsar i vätskan, vilket ger upphov till lokala skjuvkrafter, mikrostrålar och intensiv omrörning. Dessa effekter kan bryta upp partikelklumpar, rengöra exponerade ytor och förbättra transporten av utlakningsmedel till reaktiva områden. Upplösta ämnen transporteras bort snabbare, vilket bidrar till att upprätthålla upplösningen.
Vid bearbetning av aska medför dessa effekter flera praktiska fördelar:
- Snabbare urlakning: En förbättrad massöverföring kan förkorta den tid som krävs för att utvinna tillgängliga metaller.
- Högre utvinningsgrad: En förbättrad ytkontakt kan bidra till att frigöra material som inte utlakas tillräckligt vid konventionell blandning.
- Kombination med förbehandling: Ultraljud kan intensifiera urlakningsfasen efter att aktiveringen har gjort de resistenta faserna mer tillgängliga.
- Flexibel processutveckling: Ultraljudsbehandlingen kan anpassas efter olika syrakoncentrationer, fastämneshalt, temperatur och behandlingstid.
Forskningsexempel: Höga utbyten och kortare urlakningstider
Följande studier belyser dessa fördelar under specifika försöksförhållanden. Yttrium är ett sällsynt jordartsmetall; gallium och vanadin är andra värdefulla metaller. Utvinningen av dessa ger ytterligare belägg för att ultraljudsbehandling av aska är effektiv.
Yttrium och vanadin: Utvinningsgrad på upp till 97 % respektive 100 %
Masoum m.fl. (2021) undersökte utvinningen av vanadin och yttrium ur kolflygaska med hjälp av svavelsyra, väteperoxid och ultraljud. Forskarna tillämpade responsytmetoden för att optimera förhållandet mellan fast och flytande fas samt proportionerna av svavelsyra och väteperoxid. Under de optimerade förhållandena uppgick den rapporterade utvinningen till 100 % för vanadin och 97 % för yttrium.
En modifierad modell med krympande kärna visade att massdiffusionen styrde reaktionshastigheten. Detta resultat understryker vikten av transportprocesser i det undersökta systemet och talar för att man bör inrikta sig på massöverföringen vid processoptimering. Resultaten visar att det går att uppnå en hög utvinning av yttrium med den kombinerade behandlingen, även om de rapporterade utbytena avser hela reagens- och ultraljudssystemet.
FESEM-bilder av obearbetad kolaska: (a) till vänster före utlakning av kolaskan, (b) efter ultraljudsutlakning.
Studie och bilder: ©Masoum m.fl., 2021
Gallium och vanadin: 88,89 % kortare utlakningstid
Zhang m.fl. (2026) undersökte ultraljudsbaserad syrautlakning 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 ultraljudsbaserade syrautlakningen resulterade i hög utvinning av gallium och vanadin inom 20 minuter.
| Parameter | Ultraljudsutlakning efter aktiveringsrostning | Konventionell urlakning |
|---|---|---|
| Utlakningstid | Tjugo minuter | 180 minuter |
| Effektivitet vid utlakning av gallium | 98,14 % | 63,81 % |
| Effektivitet vid utlakning av vanadin | 92,32 % | 83,56 % |
Minskningen från 180 till 20 minuter motsvarar ett 88,89 % kortare utlakningsskede. Den kinetiska analysen visade på ökade hastighetskonstanter och en förbättring av både massöverföringen och reaktionsprocesserna vid gränssnitten. Dessa resultat visar på potentialen i att kombinera aktiveringsrostning med ultraljudsutlakning. Tidsbesparingen gäller utlakningen; rostningen förblir ett ytterligare bearbetningssteg.
Ultraljudsförstärkt syraurlakning fungerar med en hastighet tolv gånger snabbare än konventionell syraurlakning, på grund av den fördelaktiga mekaniska verkan av kavitationsbubblor som spricker nära ytan. Detta fenomen förbättrar blandningen av syralösningar och förbättrar därmed transportegenskaperna.
Bild och studie: © Canciani et al., 2024
2 industriella ultraljudsenheter av typen UIP4000hdT för kraftig bearbetning
Utveckla er ultraljudsutlakningsprocess för hög utvinningsgrad av sällsynta jordartsmetaller
Vid praktisk utvinning av sällsynta jordartsmetaller följs utlakningen av separation och rening av de upplösta grundämnena. En hög utlakningseffektivitet utgör därför ett viktigt delresultat, snarare än utbytet av en färdig produkt av sällsynta jordartsmetaller. Utvärderingen av processen bör omfatta återvinning i senare led, reagensförbrukning samt den energi som krävs för både förbehandling och ultraljudsbehandling.
Hielscher erbjuder ultraljudsapparater av industriell kvalitet för bänkanvändning samt kraftfulla ultraljudsflödesreaktorer för utveckling och implementering av intensifierade utlakningsprocesser. Genom val av utrustning och försök kan man fastställa lämplig amplitud, fastämneshalt, uppehållstid och temperaturreglering för en viss ask.
Enkel uppskalning till stora volymer: När parametrarna för optimal utvinning väl har fastställts kan de sedan skalas upp linjärt till vilken kommersiell utlakningsvolym som helst.
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer för blandningsapplikationer, dispersion, emulgering och extraktion i labb-, pilot- och industriell skala.
SEM-bilder för partiklar vid olika tidpunkter av konventionell (a–c) och ultraljudsläckning (d–f).
Bild och studie: © Canciani et al., 2024
Vanliga frågor och svar
Hur bidrar ultraljud till att förbättra utlakningen av sällsynta jordartsmetaller ur aska?
Ultraljud ger upphov till akustisk kavitation i utlakningsslammet. När bubblorna kollapsar uppstår intensiv lokal omrörning, skjuvkrafter och mikrostrålar som förbättrar kontakten mellan askpartiklarna och utlakningslösningen. Dessa effekter blottlägger reaktiva ytor och påskyndar massöverföringen, vilket bidrar till att öka utvinningsgraden och förkorta utlakningstiderna.
Vilka sällsynta jordartsmetaller och värdefulla metaller kan utvinnas ur aska?
Beroende på ursprung och mineralsammansättning kan askan lakas för att utvinna sällsynta jordartsmetaller, däribland lantan (La), cerium (Ce), neodym (Nd), dysprosium (Dy), yttrium (Y) och skandium (Sc). Flygaska från kol är en potentiell källa till dessa grundämnen.
Andra värdefulla metaller är bland annat gallium (Ga) och vanadin (V) i lämplig kolaska, samt koppar (Cu) och zink (Zn) i aska från förbränning av kommunalt avfall.
Varför använda en kraftfull ultraljudsenhet med sond för askutlakning?
En sondultraljudsapparat tillför ultraljudsenergi direkt in i uppslamningen via en sonotrod (ultraljudssond/stav). Detta möjliggör en intensiv behandling av fast-vätskeblandningar och ger justerbara processförhållanden. Hielschers industriella ultraljudsutrustning stödjer integration i utlakningskretsar där kontrollerad energitillförsel och tillförlitlig drift är avgörande. Konfigurationen bör anpassas efter slurryns sammansättning, fastämneshalten och den önskade genomströmningen.
Här följer några exempel på Hielschers tillämpningar inom utlakning:
Kan Hielschers ultraljudsenheter köras kontinuerligt?
Ja. Hielschers industriella ultraljudsenheter, såsom UIP500hdT (500 W) upp till UIP16000hdT (16 000 W), är konstruerade för kontinuerlig drift dygnet runt. De kan konfigureras för satsvis behandling, återcirkulation eller kontinuerlig bearbetning via en ultraljudsflödesceller. För askutlakning är en anläggning integrerad med slampumpning, temperaturreglering och den valda utlakningskemin.
Kan ultraljudsutlakning skalas upp till industriell produktion?
Ja, Hielschers ultraljudsapparater möjliggör en linjär uppskalning. Hielscher erbjuder utrustning för laboratorieförsök, pilotproduktion och industriell tillverkning, inklusive 16 kW-processorer som kan kombineras i kluster. Uppskalningen inleds med försök för att fastställa lämplig amplitud, energitillförsel, temperatur och uppehållstid. Dessa resultat utgör grunden för valet av reaktorkapacitet och validering av extraktionsprestanda vid önskad genomströmning.
Ersätter ultraljud syror eller aktiveringsrostning?
Ultraljud påskyndar urlakningsprocessen, medan kemiska reagenser tillför de kemiska egenskaper som krävs för att lösa upp målelementen. Vissa askor kan också behöva förbehandlas för att göra resistenta mineralfaser tillgängliga.
Vilka processparametrar kan övervakas?
Alla Hielscher-ultraljudsenheter från 200 watt och uppåt stödjer övervakning och automatisk registrering av amplitud, effekt, behandlingstid och temperatur, och tryckmätning kan utföras med hjälp av en tillvalssensor. Dessa data underlättar jämförelser mellan försök och gör det möjligt att på ett tillförlitligt sätt återskapa driftsförhållandena. Utvinningsgraden för sällsynta jordartsmetaller måste fastställas separat genom kemisk analys av utgångsmaterialet, lakvattnet och de kvarvarande fasta ämnena.
Kan ultraljudsutrustning användas med sura, slipande askuppslamningar?
Hielscher Ultrasonics erbjuder lösningar för ultraljudsbehandling av sura, slipande aska-slam. Sonotroder, flödesceller, tätningar och andra komponenter som kommer i kontakt med vätskan måste väljas ut med hänsyn till syrans sammansättning, koncentration, temperatur och partiklarnas slipverkan.
Innebär en högre urlakningseffektivitet en högre slutlig utvinning av sällsynta jordartsmetaller?
Ja, en högre urlakningseffektivitet innebär att en större andel av målelementet överförs till den flytande fasen. För att framställa en användbar produkt av sällsynta jordartsmetaller krävs dessutom efterföljande separering och rening. Den totala utvinningen beror på prestandan hos hela processen.
Hur väljer jag en Hielscher-ultraljudsapparat för min process?
Börja med representativa askprover och fastställ målemente, uppslamningskoncentration, lakningskemin, satsvolym eller flödeshastighet samt önskad utvinningsgrad. Vi på Hielscher kan hjälpa er att välja utrustning för genomförbarhetsstudier och efterföljande linjär uppskalning. Vårt tekniska center och processlaboratorium erbjuder även försök som underlag för valet 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 labb till industriell storlek.