การชะละลายธาตุหายากจากเถ้าด้วยอัลตราโซนิก

การชะละลายด้วยอัลตราโซนิกสามารถเพิ่มผลได้จากการสกัดและลดเวลาการแปรรูปเมื่อต้องการกู้คืนธาตุหายากจากเถ้า อัลตราซาวนด์กำลังสูงช่วยเพิ่มการสัมผัสระหว่างอนุภาคเถ้ากับสารชะละลาย จึงเร่งการละลายและช่วยให้เข้าถึงธาตุที่มีมูลค่าได้ง่ายขึ้น งานศึกษาด้านเถ้าลอยถ่านหินแสดงให้เห็นถึงศักยภาพนี้ โดยนักวิจัยรายงานการสกัดอิตเทรียมได้ 97% ขณะที่อีกการศึกษาหนึ่งเกี่ยวกับแกลเลียมและวาเนเดียมลดเวลาการชะละลายด้วยกรดจาก 180 เหลือ 20 นาที

เถ้าในฐานะแหล่งทรัพยากรทุติยภูมิสำหรับธาตุหายาก

เถ้าเป็นแหล่งทรัพยากรทุติยภูมิที่มีแนวโน้มดีสำหรับธาตุหายาก (REEs) กากตกค้างจากการเผาไหม้ถ่านหินอาจมีอิตเทรียมและธาตุหายากอื่น ๆ ที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เทคโนโลยีพลังงาน และวัสดุขั้นสูง การกู้คืนธาตุเหล่านี้จากกระแสเถ้าและแหล่งสะสมเถ้าที่มีอยู่สามารถช่วยเพิ่มความหลากหลายของแหล่งวัตถุดิบ และเปลี่ยนวัสดุที่ต้องกำจัดให้เป็นวัตถุดิบป้อนที่มีประโยชน์ได้
ศักยภาพในการสกัดขึ้นอยู่กับทั้งความเข้มข้นของธาตุและความสามารถในการเข้าถึงธาตุเหล่านั้น เถ้าอาจมีธาตุที่มีมูลค่า แต่ปลดปล่อยออกมาได้เพียงสัดส่วนจำกัดระหว่างการชะละลาย หากเมทริกซ์แร่ที่ล้อมรอบขัดขวางการเข้าถึงของสารรีเอเจนต์ ดังนั้นจึงต้องพิจารณาองค์ประกอบของเถ้า การปรับสภาพเบื้องต้น และเคมีของการชะละลายร่วมกัน การกู้คืนธาตุที่มีมูลค่าหลายชนิดจากวัตถุดิบป้อนเดียวกันอาจช่วยเพิ่มโอกาสความสำเร็จของกระบวนการได้เช่นกัน
การชะละลายด้วยอัลตราโซนิกทำให้อนุภาคเถ้าแตกออก จึงช่วยให้สารชะละลายเข้าถึงธาตุหายากได้ การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยเพิ่มการถ่ายเทมวลระหว่างอนุภาคกับสารรีเอเจนต์ จึงเพิ่มการกู้คืนพร้อมกับลดเวลาการแปรรูป!

อัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงการชะละลายเถ้าได้อย่างไร

อัลตราซาวนด์กำลังสูงเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการสกัดของแข็ง–ของเหลวผ่านคาวิเทชันจากคลื่นเสียง ฟองขนาดจุลภาคก่อตัวและยุบตัวในของเหลว ทำให้เกิดแรงเฉือนเฉพาะที่ ลำเจ็ตขนาดจุลภาค และการผสมอย่างเข้มข้น ผลเหล่านี้สามารถช่วยกระจายกลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกัน ทำความสะอาดพื้นผิวที่เปิดออก และปรับปรุงการลำเลียงสารชะละลายไปยังตำแหน่งที่เกิดปฏิกิริยา สารที่ละลายแล้วถูกลำเลียงออกไปได้เร็วขึ้น จึงช่วยให้การละลายดำเนินต่อไปได้

สำหรับการแปรรูปเถ้า ผลเหล่านี้ให้ข้อดีในทางปฏิบัติหลายประการ:

• การชะละลายที่เร็วขึ้น: การถ่ายเทมวลที่ดีขึ้นสามารถลดเวลาที่ต้องใช้ในการสกัดโลหะที่เข้าถึงได้
• ผลได้จากการสกัดที่สูงขึ้น: การสัมผัสกับพื้นผิวที่ดีขึ้นสามารถช่วยปลดปล่อยวัสดุที่ยังถูกชะละลายได้ไม่เพียงพอภายใต้การผสมแบบทั่วไป
• การใช้ร่วมกับการปรับสภาพเบื้องต้น: อัลตราซาวนด์สามารถเพิ่มความเข้มข้นของขั้นตอนการชะละลายหลังจากการกระตุ้นทำให้เข้าถึงเฟสที่ทนต่อการชะละลายได้ง่ายขึ้นแล้ว
• การพัฒนากระบวนการที่ยืดหยุ่น: สามารถพัฒนาและปรับการใช้คลื่นอัลตราโซนิกให้เหมาะกับความเข้มข้นของกรด ปริมาณของแข็ง อุณหภูมิ และเวลาการบำบัดที่แตกต่างกันได้

ตัวอย่างงานวิจัย: ผลได้สูงและเวลาการชะละลายที่สั้นลง

การศึกษาต่อไปนี้แสดงให้เห็นข้อดีเหล่านี้ภายใต้สภาวะการทดลองเฉพาะ อิตเทรียมเป็นธาตุหายาก ส่วนแกลเลียมและวาเนเดียมเป็นโลหะที่มีมูลค่าชนิดอื่น การสกัดธาตุเหล่านี้ให้หลักฐานเสริมสำหรับการแปรรูปเถ้าด้วยอัลตราโซนิก

อิตเทรียมและวาเนเดียม: สกัดได้สูงถึง 97% และ 100%

Masoum et al. (2021) ศึกษาการสกัดวาเนเดียมและอิตเทรียมจากเถ้าลอยถ่านหินโดยใช้กรดซัลฟิวริก ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และอัลตราซาวนด์ นักวิจัยใช้วิธีพื้นผิวตอบสนองเพื่อหาสภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับอัตราส่วนของแข็งต่อของเหลว และสัดส่วนของกรดซัลฟิวริกกับไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมที่สุด มีรายงานว่าสกัดวาเนเดียมได้ถึง 100% และอิตเทรียมได้ถึง 97%
แบบจำลองแกนหดตัวที่ปรับปรุงแล้วบ่งชี้ว่าการแพร่ของมวลเป็นตัวควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยา ข้อค้นพบนี้เน้นความสำคัญของกระบวนการลำเลียงในระบบที่ศึกษา และสนับสนุนการมุ่งปรับปรุงการถ่ายเทมวลระหว่างการหาสภาวะที่เหมาะสมที่สุดของกระบวนการ ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าสามารถสกัดอิตเทรียมได้ในระดับสูงด้วยการบำบัดร่วมกันนี้ แม้ว่าผลได้ที่รายงานจะสะท้อนผลของระบบสารรีเอเจนต์และอัลตราซาวนด์ทั้งหมดร่วมกันก็ตาม

ภาพ FESEM ของเถ้าถ่านหินดิบ (a) ด้านซ้าย ก่อนการชะละลายเถ้าถ่านหิน และ (b) หลังการชะละลายด้วยอัลตราโซนิก
การศึกษาและภาพ: ©Masoum et al., 2021

แกลเลียมและวาเนเดียม: เวลาการชะละลายสั้นลง 88.89%

Zhang et al. (2026) ศึกษาการชะละลายด้วยกรดโดยใช้อัลตราโซนิกหลังการเผากระตุ้นด้วยโซเดียมคาร์บอเนต การปรับสภาพเบื้องต้นที่เหมาะสมที่สุดประกอบด้วยการเผาที่ 850°C เป็นเวลา 60 นาที โดยใช้อัตราส่วนมวลเถ้าลอยต่อ Na₂CO₃ เท่ากับ 2:1 การชะละลายด้วยกรดโดยใช้อัลตราโซนิกในขั้นตอนถัดมาสามารถสกัดแกลเลียมและวาเนเดียมได้ในระดับสูงภายใน 20 นาที

การลดเวลาจาก 180 เหลือ 20 นาทีเท่ากับการทำให้ขั้นตอนการชะละลายสั้นลง 88.89% การวิเคราะห์จลนพลศาสตร์บ่งชี้ว่าค่าคงที่อัตราเพิ่มขึ้น และทั้งการถ่ายเทมวลกับกระบวนการเกิดปฏิกิริยาที่ผิวสัมผัสดีขึ้น ผลเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของการใช้การเผากระตุ้นร่วมกับการชะละลายด้วยอัลตราโซนิก การประหยัดเวลานี้ใช้กับการชะละลาย ส่วนการเผายังคงเป็นขั้นตอนการแปรรูปเพิ่มเติม

การชะละลายด้วยกรดที่เสริมด้วยอัลตราโซนิกดำเนินไปด้วยอัตราที่เป็นสิบสองเท่าของการชะละลายด้วยกรดแบบทั่วไป เนื่องจากผลเชิงกลที่เป็นประโยชน์ของฟองคาวิเทชันที่แตกใกล้พื้นผิว ปรากฏการณ์นี้ช่วยปรับปรุงการผสมสารละลายกรด จึงเพิ่มสมบัติด้านการลำเลียง
ภาพและการศึกษา: © Canciani et al., 2024

พัฒนากระบวนการชะละลายด้วยอัลตราโซนิกของคุณเพื่อการกู้คืนธาตุหายากในระดับสูง

สำหรับการสกัดธาตุหายากในทางปฏิบัติ หลังการชะละลายจะมีการแยกและทำให้ธาตุที่ละลายแล้วบริสุทธิ์ ดังนั้นประสิทธิภาพการชะละลายที่สูงจึงเป็นผลลัพธ์ระหว่างกระบวนการที่สำคัญ แทนที่จะเป็นผลได้ของผลิตภัณฑ์ธาตุหายากสำเร็จรูป การประเมินกระบวนการควรรวมถึงการกู้คืนในขั้นตอนปลายน้ำ การใช้สารรีเอเจนต์ และพลังงานที่ต้องใช้ทั้งในการปรับสภาพเบื้องต้นและการใช้คลื่นอัลตราโซนิก
Hielscher มีเครื่องอัลตราโซนิกแบบตั้งโต๊ะเกรดอุตสาหกรรมและเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกแบบไหลผ่านสำหรับงานหนัก เพื่อพัฒนาและนำกระบวนการชะละลายที่เพิ่มความเข้มข้นไปใช้งาน การเลือกอุปกรณ์และการทดลองสามารถช่วยกำหนดแอมพลิจูด ปริมาณของแข็ง เวลาพำนัก และการควบคุมอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับเถ้าแต่ละชนิดได้
ขยายขนาดไปสู่ปริมาตรสูงได้อย่างง่ายดาย: เมื่อกำหนดพารามิเตอร์สำหรับการกู้คืนที่เหมาะสมที่สุดแล้ว ก็สามารถใช้พารามิเตอร์เหล่านั้นขยายขนาดแบบเชิงเส้นไปสู่การชะละลายในปริมาตรเชิงพาณิชย์ใด ๆ ได้

ภาพ SEM ของอนุภาค ณ เวลาต่าง ๆ ของการชะละลายแบบทั่วไป (a–c) และการชะละลายด้วยอัลตราโซนิก (d–f)
ภาพและการศึกษา: © Canciani et al., 2024

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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.