Ultraljudslakning av ädelmetaller

Effektultraljud är en effektiv teknik för att extrahera metaller såsom ädelmetaller och sällsynta jordartsmetaller. Denna process för ultraljudsassisterad fast–vätskeextraktion kallas sonolakning, lakning eller tvättning. Robusta industriella ultraljudsapparater kan enkelt installeras för att laka ut sällsynta jordartsmetaller ur malmer, behandla gruvslam för en mer fullständig återvinning eller separera metaller av högt värde (t.ex. Cu, Zn, Ni) från mindre värdefulla metaller.

Ultraljudslakning främjar reaktionen genom massöverföring och upplösning, så att högre utbyten erhålls på kortare extraktionstid.
De främsta fördelarna med ultraljudslakning är:

• högre utbyte
• mer fullständig lakning
• minskad reagensförbrukning
• mildare förhållanden
• enkel genomförbarhetsprovning
• linjär uppskalning
• enkel installation av ultraljudssystem i full kommersiell skala
• mycket robusta ultraljudsapparater för stora volymflöden

Ultraljudslakning av ädelmetaller: snabbare extraktion genom kavitationskemi

Återvinning av ädelmetaller såsom guld, silver, platina, palladium och rodium är en hörnsten i modern metallurgi och återvinning – särskilt vid bearbetning av malmer, koncentrat och sekundära resurser såsom elektronikskrot och avgasreningskatalysatorer. Konventionell lakning är väletablerad men begränsas ofta av långsam massöverföring, ytpassivering, ofullständig friläggning av värdefulla faser och hög reagensförbrukning.
Ultraljudslakning hanterar många av dessa flaskhalsar genom att tillföra högintensivt ultraljud till lakningsslurryn, vilket kraftigt intensifierar reaktionskinetiken genom ett fenomen som kallas akustisk kavitation.

Den centrala mekanismen: akustisk kavitation

När högeffektsultraljud kopplas in i en vätska skapar det mikroskopiska kavitationsbubblor som snabbt bildas och kollapsar. Denna kollaps skapar extrema lokala förhållanden, bland annat:

• intensiv mikroblandning och starka skjuvkrafter
• mikrostrålar med hög hastighet riktade mot fasta ytor
• lokala heta punkter (mycket höga temperaturer och tryck under mikrosekunder)

Även om dessa effekter uppträder på mikroskopisk skala påverkar de den makroskopiska lakningsprocessen starkt genom att kontinuerligt förnya den reaktiva ytan och påskynda transporten av reagenser till och från de fasta partiklarna.

Ultraljudsförstärkt syralakning sker tolv gånger snabbare än konventionell syralakning tack vare den gynnsamma mekaniska verkan från kavitationsbubblor som brister nära ytan. Detta fenomen förbättrar blandningen av syralösningen och därmed transportegenskaperna.
Bild och studie: © Canciani et al., 2024

Varför ultraljud förbättrar lakning av ädelmetaller

I de flesta lakningssystem är det hastighetsbegränsande steget inte själva den kemiska reaktionen, utan transporten av reaktanter genom gränsskikt, porer eller passiverande ytfilmer. Ultraljudskavitation förbättrar lakningseffektiviteten genom flera samverkande effekter:

1. Förbättrad massöverföring
   Ultraljud minskar tjockleken på det stillastående diffusionsskiktet runt fasta partiklar. Detta gör att lakmedel (t.ex. cyanid, tiosulfat, klorid, jodid, tiourea eller sura system) når den metallförande ytan snabbare, samtidigt som lösta metallkomplex förs bort effektivare.
2. Aktivering av partikelytor
   Mikrostrålar och stötvågor från kavitation eroderar, rengör och ruggar kontinuerligt upp partikelytor. Detta frilägger nya mineralfaser och ökar den effektiva reaktiva ytan – vilket är särskilt viktigt för svårlakade malmer eller belagda partiklar.
3. Nedbrytning av passiveringsskikt
   Många ädelmetallförande mineral bildar ytskikt under lakning (t.ex. oxider, sulfater, elementärt svavel eller kiseldioxidfilmer). Ultraljud kan bryta ned dessa barriärer mekaniskt och därmed återställa lakmedlets tillgång till den underliggande metallfasen.
4. Förbättrad inträngning i porösa fasta material
   För koncentrat, katalysatorer och partiklar av elektronikavfall hjälper ultraljud till att pressa in vätska i porer och mikrosprickor, vilket förbättrar reagensernas tillgång till inbäddade ädelmetaller.

Partikelstorleksfördelningar efter ultraljudslakning och konventionell lakning
Bild och studie: © Canciani et al., 2024

Tillämpningar: från malmer till urban gruvdrift

Ultraljudslakning undersöks i allt större utsträckning för både primära och sekundära resurser:

• Guld och silver
  Effektultraljud har visats påskynda guldlakning i cyanid och alternativa lakmedel genom att förbättra transporten och undanröja passiveringseffekter. Det är även relevant för silveråtervinning ur malmer och industriella restprodukter.
• Platinagruppens metaller (PGM)
  Återvinning av platina, palladium och rodium – särskilt ur uttjänta avgasreningskatalysatorer – bygger ofta på kloridbaserade eller sura lakningssystem. Ultraljud förbättrar upplösningskinetiken genom att intensifiera ytreaktioner och förbättra nedbrytningen av komplexa keramik-/metallmatriser.
• Elektronikskrot
  Kretskort och elektroniska komponenter innehåller värdefulla ädelmetaller men har betydande diffusionsbarriärer på grund av polymerer, oxider och strukturer av flera material. Ultraljudsbehandling gör lakningen mer enhetlig och kan minska den erforderliga lakningstiden.
• Sällsynta jordartsmetaller ur kolaska
  Kolaska kan innehålla värdefulla metaller och sällsynta jordartsmetaller, ofta bundna i mineralfaser eller en glasartad aluminiumsilikatmatris. Ultraljudsbehandling förbättrar kontakten mellan askpartiklar och laklösningen, vilket kan öka extraktionseffektiviteten och förkorta lakningstiden.
  Läs mer om ultraljudslakning av sällsynta jordartsmetaller ur aska!

Viktiga processfördelar

Ur ett processtekniskt perspektiv erbjuder ultraljudslakning flera mätbara fördelar:

• kortare lakningstider genom snabbare kinetik
• högre extraktionsutbyten tack vare förbättrad åtkomst till ytan
• lägre reagensförbrukning i många system (mindre överskott av lakmedel behövs)
• förbättrad reproducerbarhet genom bättre dispergering och blandning
• potentiellt lägre driftstemperatur eftersom ultraljud kompenserar för långsammare termisk kinetik

Processöverväganden och uppskalning

Framgångsrik ultraljudslakning är starkt beroende av processutformningen. Kritiska parametrar omfattar:

• ultraljudets effekttäthet och amplitud
• slurryns koncentration och partikelstorleksfördelning
• reaktorgeometri och flödesförhållanden
• temperaturreglering
• val av lakningskemi (sur, alkalisk, kloridbaserad osv.)

För genomförande i industriell skala krävs högeffektsreaktorer för ultraljud med sond, eftersom ultraljudsbad vanligtvis inte tillför tillräckligt med energi till täta lakningsslurryer. Ultraljudsflödesceller kan integreras direkt i kontinuerliga lakningskretsar, vilket möjliggör skalbar drift. Hielschers högpresterande ultraljudsapparater är byggda för att bearbeta stora volymer under krävande förhållanden – vilket ökar utbytet av utlakade metaller samtidigt som bearbetningstiden och miljöpåverkan minskar.

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sin högsta kvalitet och de högsta konstruktionsstandarderna. Robusthet och enkel användning möjliggör smidig integrering av våra ultraljudsapparater i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar enkelt tuffa förhållanden och krävande miljöer.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och hög användarvänlighet. Självklart är Hielschers ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven enligt UL, CSA och RoHs.

Litteratur / Referenser

• 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.