การชะล้างอัลตราโซนิกของโลหะมีค่า

อัลตราซาวนด์พลังงานเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพในการสกัดโลหะ เช่น โลหะมีค่าและแร่หายาก กระบวนการสกัดของแข็งและของเหลวโดยใช้อัลตราโซนิกนี้เรียกว่าการชะล้างโซโนการละลายน้ําหรือการล้าง เครื่องอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมที่แข็งแกร่งสามารถติดตั้งได้อย่างง่ายดายเพื่อชะล้างแร่หายากจากแร่เพื่อบําบัดสารละลายการขุดเพื่อการกู้คืนที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นหรือเพื่อแยกโลหะที่มีมูลค่าสูง (เช่น Cu, Zn, Ni) จากโลหะที่มีมูลค่าน้อยกว่า

การชะล้างอัลตราโซนิกส่งเสริมปฏิกิริยาโดยการถ่ายเทมวลและการละลายเพื่อให้ได้ผลผลิตที่สูงขึ้นในเวลาสกัดที่สั้นลง
ประโยชน์หลักของการชะล้างอัลตราโซนิกคือ:

• ผลผลิตที่สูงขึ้น
• การชะล้างที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น
• ลดการใช้รีเอเจนต์
• สภาพที่ไม่รุนแรง
• การทดสอบความเป็นไปได้อย่างง่าย
• การขยายขนาดเชิงเส้น
• ติดตั้งระบบอัลตราซาวนด์เชิงพาณิชย์เต็มรูปแบบได้ง่าย
• เครื่องอัลตราโซนิกที่แข็งแกร่งมากสําหรับสตรีมปริมาณมาก

การสกัดโลหะมีค่าด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง: การสกัดที่รวดเร็วขึ้นผ่านเคมีคาวิเตชัน

การกู้คืนโลหะมีค่า เช่น ทอง, เงิน, แพลทินัม, พัลลาเดียม, และโรเดียม เป็นรากฐานของโลหะวิทยาสมัยใหม่และการรีไซเคิล – โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการแปรรูปแร่ แร่เข้มข้น และทรัพยากรทุติยภูมิ เช่น ขยะอิเล็กทรอนิกส์และตัวเร่งปฏิกิริยา แม้ว่าวิธีการชะละลายแบบดั้งเดิมจะได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายแล้ว แต่บ่อยครั้งมักถูกจำกัดด้วยอัตราการถ่ายโอนมวลที่ช้า การเกิดฟิล์มบางบนผิวหน้า การปลดปล่อยเฟสที่มีค่าไม่สมบูรณ์ และการใช้สารรีเอเจนต์ในปริมาณสูง
การชะล้างด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงช่วยแก้ไขปัญหาคอขวดหลายประการโดยการนำคลื่นเสียงความเข้มสูงเข้าสู่สารละลายชะล้าง ซึ่งช่วยเพิ่มความเข้มข้นของปฏิกิริยาเคมีอย่างมากผ่านปรากฏการณ์ที่เรียกว่าอะคูสติกคาวิเตชั่น

กลไกหลัก: การเกิดโพรงอากาศในของเหลวด้วยคลื่นเสียง

เมื่อคลื่นเสียงความถี่สูงถูกส่งผ่านเข้าไปในของเหลว จะเกิดฟองอากาศขนาดเล็กมากในของเหลวซึ่งเรียกว่าฟองคาวิเตชัน ฟองอากาศเหล่านี้จะก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็วและยุบตัวลงทันที การยุบตัวของฟองอากาศนี้จะก่อให้เกิดสภาวะที่มีความรุนแรงเฉพาะจุดอย่างมาก ซึ่งรวมถึง:

• การผสมระดับจุลภาคอย่างเข้มข้นและแรงเฉือน
• ไมโครเจ็ตความเร็วสูงที่พุ่งไปยังพื้นผิวแข็ง
• จุดร้อนเฉพาะที่ (อุณหภูมิและความดันสูงมากในระยะเวลาไมโครวินาที)

แม้ว่าผลกระทบเหล่านี้จะเกิดขึ้นในระดับจุลภาค แต่ก็มีอิทธิพลอย่างมากต่อกระบวนการชะล้างในระดับมหภาคโดยการฟื้นฟูพื้นผิวที่เกิดปฏิกิริยาอย่างต่อเนื่องและเร่งการขนส่งสารเคมีไปยังและออกจากอนุภาคของแข็ง

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

ทำไมอัลตราซาวด์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการสกัดโลหะมีค่า

ในระบบชะล้างส่วนใหญ่ ขั้นตอนที่เป็นข้อจำกัดของอัตราการเกิดปฏิกิริยาไม่ใช่ตัวปฏิกิริยาเคมีเอง แต่เป็นการขนส่งสารตั้งต้นผ่านชั้นขอบเขต รูพรุน หรือฟิล์มที่เคลือบผิวซึ่งป้องกันการกัดกร่อน การเกิดคาวิเทชันด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการชะล้างผ่านผลเสริมฤทธิ์หลายประการ:

1. การถ่ายเทมวลที่เพิ่มขึ้น
   อัลตราซาวนด์ช่วยลดความหนาของชั้นการแพร่กระจายที่หยุดนิ่งซึ่งล้อมรอบอนุภาคของแข็ง ทำให้สารละลาย (เช่น ไซยาไนด์, ไทโอซัลเฟต, คลอไรด์, ไอโอไดด์, ไทโอเออิด, หรือระบบกรด) สามารถเข้าถึงพื้นผิวที่มีโลหะได้เร็วขึ้น ในขณะที่สารประกอบโลหะที่ละลายอยู่จะถูกกำจัดออกไปได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
2. การกระตุ้นผิวอนุภาค
   ไมโครเจ็ตจากการเกิดโพรงอากาศและคลื่นกระแทกกัดกร่อน ทำความสะอาด และทำให้พื้นผิวของอนุภาคหยาบขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งจะทำให้เกิดเฟสแร่ธาตุใหม่และเพิ่มพื้นที่ปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพ – โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแร่ที่ทนต่อการหลอมหรืออนุภาคที่เคลือบผิว
3. การรบกวนชั้นพาสซีฟ
   แร่ธาตุที่มีโลหะมีค่าหลายชนิดก่อตัวเป็นชั้นผิวระหว่างการชะล้าง (เช่น ออกไซด์ ซัลเฟต ซัลเฟอร์บริสุทธิ์ หรือฟิล์มซิลิกา) คลื่นเสียงความถี่สูงสามารถทำลายอุปสรรคเหล่านี้ทางกายภาพ ทำให้สารชะล้างสามารถเข้าถึงเฟสโลหะที่อยู่ด้านล่างได้อีกครั้ง
4. การแทรกซึมที่ดีขึ้นในของแข็งที่มีรูพรุน
   สำหรับสารเข้มข้น ตัวเร่งปฏิกิริยา และอนุภาคขยะอิเล็กทรอนิกส์ คลื่นเสียงความถี่สูงช่วยผลักดันของเหลวเข้าสู่รูพรุนและรอยแตกขนาดเล็ก ทำให้สารรีเอเจนต์เข้าถึงโลหะมีค่าที่ฝังอยู่ได้ดียิ่งขึ้น

การกระจายขนาดอนุภาคหลังจากการชะล้างอัลตราโซนิกและแบบธรรมดา
ภาพและการศึกษา: © Canciani et al., 2024

การใช้งาน: จากแร่สู่การขุดแร่ในเมือง

การชะล้างด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงกำลังได้รับการศึกษาวิจัยมากขึ้นทั้งในทรัพยากรปฐมภูมิและทุติยภูมิ:

• ทองคำและเงิน
  การใช้อัลตราซาวนด์ร่วมกับพลังงานได้แสดงให้เห็นว่าสามารถเร่งการชะล้างทองคำในสารละลายไซยาไนด์และสารละลายทดแทนได้โดยการปรับปรุงการขนส่งและกำจัดผลกระทบจากการเกิดการป้องกันการกัดกร่อน นอกจากนี้ยังมีประโยชน์สำหรับการกู้คืนเงินจากแร่และของเสียอุตสาหกรรม
• โลหะกลุ่มแพลทินัม (PGMs)
  การกู้คืนแพลทินัม, พัลลาเดียม, และโรเดียม – โดยเฉพาะจากตัวกรองไอเสียที่ใช้แล้ว – มักอาศัยระบบการชะล้างที่มีคลอไรด์หรือกรดเป็นพื้นฐาน อัลตราซาวด์ช่วยเพิ่มอัตราการละลายโดยเสริมปฏิกิริยาที่ผิวหน้าและปรับปรุงการแตกตัวของเมทริกซ์เซรามิก/โลหะที่ซับซ้อน
• ขยะอิเล็กทรอนิกส์
  แผงวงจรพิมพ์และชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์มีโลหะมีค่าที่มีคุณค่าแต่มีอุปสรรคการแพร่กระจายที่แข็งแกร่งเนื่องจากพอลิเมอร์ ออกไซด์ และโครงสร้างหลายวัสดุ การบำบัดด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอของการชะล้างและสามารถลดเวลาการชะล้างที่จำเป็นได้

ข้อได้เปรียบของกระบวนการหลัก

จากมุมมองของวิศวกรรมกระบวนการ การชะล้างด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงมีประโยชน์ที่วัดได้หลายประการ:

• ระยะเวลาการชะล้างที่สั้นลงผ่านจลนพลศาสตร์ที่เร่งขึ้น
• อัตราการสกัดที่สูงขึ้นเนื่องจากการเข้าถึงพื้นผิวที่ดีขึ้น
• การใช้สารรีเอเจนต์ลดลงในหลายระบบ (ต้องการสารละลายล้างส่วนเกินน้อยลง)
• ปรับปรุงความสามารถในการทำซ้ำได้ผ่านการกระจายตัวและการผสมที่ดีขึ้น
• อุณหภูมิการทำงานที่อาจต่ำกว่า เนื่องจากคลื่นเสียงอัลตราโซนิกชดเชยการเคลื่อนที่ของความร้อนที่ช้าลง

ข้อพิจารณาด้านกระบวนการและการขยายขนาด

การชะล้างด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงที่ประสบความสำเร็จขึ้นอยู่กับการออกแบบกระบวนการอย่างมาก พารามิเตอร์ที่สำคัญได้แก่:

• ความหนาแน่นกำลังอัลตราซาวด์และแอมพลิจูด
• ความเข้มข้นของสารแขวนลอยและการกระจายขนาดอนุภาค
• เรกเตอร์จีโอเมตรี และเงื่อนไขการไหล
• การควบคุมอุณหภูมิ
• การเลือกสารเคมีสำหรับการชะล้าง (กรด, ด่าง, คลอไรด์, เป็นต้น)

ที่สำคัญ การนำไปใช้ในระดับอุตสาหกรรมจำเป็นต้องใช้เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกแบบสูงพลังงานชนิดหัววัด เนื่องจากเครื่องโซนิเคเตอร์แบบอ่างทั่วไปไม่สามารถส่งพลังงานเข้าไปในสารละลายข้นได้เพียงพอ เซลล์ไหลอัลตราโซนิกแบบอินไลน์สามารถรวมเข้ากับวงจรการชะล้างแบบต่อเนื่องได้ ทำให้สามารถปรับขนาดการดำเนินงานได้ เครื่องโซนิเคเตอร์ประสิทธิภาพสูงของ Hielscher ถูกออกแบบมาเพื่อรองรับการประมวลผลปริมาณมากภายใต้สภาวะที่ท้าทาย – เพิ่มผลผลิตของโลหะที่ถูกชะล้างในขณะที่ลดเวลาในการประมวลผลและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

การออกแบบ การผลิต และการให้คําปรึกษา – คุณภาพ ผลิตในประเทศเยอรมนี

เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบสูงสุด ความทนทานและใช้งานง่ายช่วยให้สามารถรวมเครื่องอัลตราโซนิกของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น สภาพที่ขรุขระและสภาพแวดล้อมที่ต้องการสามารถจัดการได้ง่ายโดยเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher

Hielscher Ultrasonics เป็น บริษัท ที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO และให้ความสําคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงที่มีเทคโนโลยีล้ําสมัยและเป็นมิตรกับผู้ใช้ แน่นอนว่าเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher เป็นไปตามมาตรฐาน CE และตรงตามข้อกําหนดของ UL, CSA และ RoHs

วรรณกรรม / อ้างอิง