การสกัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกของธาตุดินหายากจากเถ้า

การสกัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกสามารถเพิ่มอัตราผลผลิตการสกัดและลดเวลาการประมวลผลได้เมื่อทำการสกัดธาตุดินหายากจากเถ้า โดยการปรับปรุงการสัมผัสระหว่างอนุภาคเถ้ากับสารสกัด คลื่นอัลตราโซนิกกำลังสูงช่วยเร่งการละลายและทำให้ธาตุที่มีค่าสามารถเข้าถึงได้ง่ายขึ้น การศึกษาเกี่ยวกับเถ้าลอยจากถ่านหินได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพนี้: นักวิจัยรายงานว่าสามารถสกัดอิทเทรียมได้ถึง 97% ส่วนการศึกษาอีกชิ้นเกี่ยวกับกัลเลียมและวานาเดียมได้ลดเวลาการสกัดด้วยกรดจาก 180 นาทีลงเหลือ 20 นาที

เถ้าเป็นทรัพยากรรองสำหรับธาตุดินหายาก

เถ้าเป็นทรัพยากรรองที่มีศักยภาพสูงสำหรับธาตุดินหายาก (REEs) เถ้าจากการเผาถ่านหินอาจมีอิทเทรียมและธาตุดินหายากอื่น ๆ ที่ใช้ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ เทคโนโลยีพลังงาน และวัสดุขั้นสูง การสกัดธาตุเหล่านี้จากกระแสเถ้าและกองเถ้าที่มีอยู่จะช่วยเพิ่มความหลากหลายของแหล่งวัตถุดิบ และเปลี่ยนวัสดุที่ต้องกำจัดให้กลายเป็นวัตถุดิบที่มีประโยชน์
ศักยภาพในการสกัดขึ้นอยู่กับทั้งความเข้มข้นของธาตุและระดับการเข้าถึงได้ แม้เถ้าอาจมีธาตุที่มีค่าอยู่ แต่หากแมทริกซ์แร่รอบข้างจำกัดการเข้าถึงของสารทำปฏิกิริยา ก็อาจปล่อยออกมาได้เพียงส่วนน้อยเท่านั้นในระหว่างกระบวนการชะล้าง ดังนั้น จึงต้องพิจารณาองค์ประกอบของเถ้า การเตรียมตัวอย่างล่วงหน้า และเคมีของกระบวนการชะล้างร่วมกัน การกู้คืนธาตุที่มีค่าหลายชนิดจากวัตถุดิบเดียวกันยังอาจช่วยเพิ่มโอกาสในการพัฒนาของกระบวนการได้อีกด้วย
การสลายด้วยคลื่นอัลตราโซนิกช่วยสลายอนุภาคเถ้าเป็นชิ้นเล็ก ๆ ทำให้ธาตุดินหายากสามารถถูกสารสลายดูดซับได้ โดยการปรับปรุงการถ่ายโอนมวลระหว่างอนุภาคและสารสลาย การใช้คลื่นอัลตราโซนิกจึงช่วยเพิ่มอัตราการกู้คืนพร้อมทั้งลดเวลาการประมวลผล!

วิธีที่คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงกระบวนการสกัดเถ้า

อัลตราซาวนด์กำลังสูงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการสกัดระหว่างของแข็งและของเหลวผ่านปรากฏการณ์คาวิเทชันทางเสียง ฟองอากาศขนาดไมโครสโคปิกก่อตัวและแตกสลายในของเหลว ซึ่งก่อให้เกิดแรงเฉือนในบริเวณเฉพาะ จุดน้ำพุ่งขนาดเล็ก และการผสมที่เข้มข้น ผลลัพธ์เหล่านี้สามารถกระจายกลุ่มอนุภาคที่รวมตัวกัน ทำความสะอาดพื้นผิวที่สัมผัส และปรับปรุงการขนส่งสารสกัดไปยังจุดที่เกิดปฏิกิริยา สารที่ละลายแล้วถูกขนส่งออกไปได้เร็วขึ้น ซึ่งช่วยรักษาการละลายให้คงอยู่

ในการแปรรูปเถ้า ผลกระทบเหล่านี้ให้ประโยชน์ทางปฏิบัติหลายประการ:

• การละลายที่เร็วขึ้น: การเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายโอนมวลสามารถลดเวลาที่จำเป็นสำหรับการสกัดโลหะที่สามารถเข้าถึงได้
• อัตราการสกัดที่สูงขึ้น: การปรับปรุงการสัมผัสระหว่างพื้นผิวสามารถช่วยปลดปล่อยวัสดุที่ยังไม่ถูกล้างออกอย่างเพียงพอในการผสมแบบดั้งเดิม
• การรวมกับการเตรียมล่วงหน้า: การใช้อัลตราซาวนด์สามารถเร่งกระบวนการสลายตัวได้ หลังจากที่การกระตุ้นทำให้เฟสที่ต้านทานการสลายตัวกลายเป็นเฟสที่เข้าถึงได้ง่ายขึ้น
• การพัฒนากระบวนการที่ยืดหยุ่น: กระบวนการอัลตราโซนิกสามารถปรับให้เหมาะสมกับความเข้มข้นของกรด ปริมาณสารแข็ง อุณหภูมิ และระยะเวลาการบำบัดที่แตกต่างกันได้

ตัวอย่างการวิจัย: ผลผลิตสูงและเวลาการชะล้างที่สั้นลง

การศึกษาต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบเหล่านี้ภายใต้เงื่อนไขการทดลองเฉพาะ ยิทเทรียมเป็นธาตุดินหายาก ส่วนกัลเลียมและวานาเดียมเป็นโลหะมีค่าอื่นๆ การสกัดธาตุเหล่านี้ให้หลักฐานเสริมสนับสนุนการประมวลผลเถ้าด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

อิทเทรียมและวานาเดียม: อัตราการสกัดสูงถึง 97% และ 100%

Masoum และคณะ (2021) ได้ศึกษาการสกัดวานาเดียมและอิทเทรียมจากเถ้าลอยถ่านหินโดยใช้กรดซัลฟิวริก ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และคลื่นอัลตราโซนิก นักวิจัยได้ใช้วิธีการวิเคราะห์พื้นผิวตอบสนอง (Response Surface Methodology) เพื่อปรับให้สัดส่วนระหว่างของแข็งและของเหลว รวมถึงสัดส่วนของกรดซัลฟูริกและไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เป็นไปอย่างเหมาะสมที่สุด ภายใต้เงื่อนไขที่ปรับให้เหมาะสมที่สุด อัตราการสกัดที่รายงานได้คือ 100% สำหรับวานาเดียม และ 97% สำหรับอิทเทรียม
แบบจำลองแกนหดตัวที่ปรับปรุงแล้วชี้ให้เห็นว่าการแพร่กระจายมวลเป็นปัจจัยที่ควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยา ผลค้นพบนี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของกระบวนการขนส่งมวลในระบบที่ศึกษา และสนับสนุนการมุ่งเน้นไปที่การถ่ายโอนมวลในการปรับปรุงกระบวนการ ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าสามารถบรรลุอัตราการสกัดอิทเทรียมในระดับสูงได้ด้วยการบำบัดแบบผสมผสาน แม้ว่าอัตราผลผลิตที่รายงานจะสะท้อนถึงการใช้สารเคมีและระบบอัลตราซาวนด์อย่างเต็มที่

ภาพ FESEM ของเถ้าถ่านหินดิบ (a) ก่อนการสกัดเถ้าถ่านหิน, (b) หลังการสกัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิก
การวิจัยและรูปภาพ: ©Masoum et al., 2021

กัลเลียมและวานาเดียม: ลดเวลาการสกัดลง 88.89%

Zhang et al. (2026) ได้ศึกษาการสกัดด้วยกรดและคลื่นอัลตราโซนิก หลังจากกระบวนการเผาเพื่อกระตุ้นด้วยโซเดียมคาร์บอเนต กระบวนการเตรียมตัวอย่างที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุด ได้แก่ การเผาที่อุณหภูมิ 850°C เป็นเวลา 60 นาที โดยใช้อัตราส่วนมวลระหว่างเถ้าลอยกับ Na₂CO₃ เท่ากับ 2:1 การสกัดด้วยกรดแบบอัลตราโซนิกที่ดำเนินการต่อจากนั้นสามารถสกัดกัลเลียมและวานาเดียมได้ในปริมาณสูงภายใน 20 นาที

การลดเวลาจาก 180 นาทีลงเหลือ 20 นาที เท่ากับว่าขั้นตอนการสกัดสั้นลง 88.89% การวิเคราะห์จลนศาสตร์ชี้ให้เห็นว่าค่าคงที่ความเร็วเพิ่มขึ้น และกระบวนการถ่ายโอนมวลรวมถึงกระบวนการปฏิกิริยาที่ผิวสัมผัสได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของการรวมการคั่วเพื่อกระตุ้นกับการสกัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิก การประหยัดเวลาดังกล่าวใช้กับขั้นตอนการสกัดเท่านั้น ส่วนขั้นตอนการเผา ยังคงเป็นขั้นตอนการประมวลผลเพิ่มเติม

การชะล้างกรดที่ปรับปรุงด้วยอัลตราโซนิกทํางานในอัตราที่เร็วกว่าการชะล้างกรดทั่วไปสิบสองเท่าเนื่องจากการกระทําทางกลที่เป็นประโยชน์ของฟองอากาศที่ระเบิดใกล้พื้นผิว ปรากฏการณ์นี้ช่วยเพิ่มการผสมสารละลายกรด ซึ่งจะช่วยเพิ่มคุณสมบัติการขนส่ง
ภาพและการศึกษา: © Canciani et al., 2024

พัฒนากระบวนการสกัดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเพื่อเพิ่มอัตราการสกัดแร่ดินหายาก

ในการสกัดโลหะหายากในทางปฏิบัติ หลังจากขั้นตอนการชะล้างแล้ว จะตามด้วยการแยกและทำให้บริสุทธิ์ของธาตุที่ละลายอยู่ ดังนั้น ประสิทธิภาพการชะล้างที่สูงจึงถือเป็นผลลัพธ์ขั้นกลางที่สำคัญ มากกว่าปริมาณผลผลิตของผลิตภัณฑ์โลหะหายากที่เสร็จสมบูรณ์ การประเมินกระบวนการควรรวมถึงการกู้คืนในขั้นตอนต่อไป การใช้สารเคมี และพลังงานที่จำเป็นทั้งในขั้นตอนการเตรียมล่วงหน้าและการใช้คลื่นเสียง
Hielscher นำเสนอเครื่องสร้างคลื่นเสียงแบบตั้งโต๊ะระดับอุตสาหกรรม และเครื่องปฏิกรณ์ไหลด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงแบบทนทาน สำหรับการพัฒนาและนำกระบวนการสกัดเข้มข้นไปใช้จริง การเลือกอุปกรณ์และการทดลองสามารถกำหนดค่าความกว้างคลื่นที่เหมาะสม ปริมาณสารแข็งที่ใส่ เวลาพัก และการควบคุมอุณหภูมิ สำหรับเถ้าชนิดเฉพาะ
สามารถขยายการผลิตไปยังปริมาณใหญ่ได้อย่างง่ายดาย: เมื่อกำหนดพารามิเตอร์สำหรับการฟื้นฟูประสิทธิภาพสูงสุดแล้ว สามารถปรับขนาดขึ้นแบบเชิงเส้นได้เพื่อใช้กับปริมาณการชะล้างเชิงพาณิชย์ใด ๆ ก็ได้

ภาพ SEM สําหรับอนุภาคในช่วงเวลาต่างๆ ของการชะล้างแบบธรรมดา (a–c) และอัลตราโซนิก (d–f)
ภาพและการศึกษา: © Canciani et al., 2024

วรรณกรรม / อ้างอิง