การชะละลายโลหะมีค่าด้วยอัลตราซาวนด์

อัลตราซาวนด์กำลังสูงเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพในการสกัดโลหะ เช่น โลหะมีค่าและธาตุหายาก กระบวนการสกัดของแข็งด้วยของเหลวโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยนี้เรียกว่าการชะละลายด้วยอัลตราซาวนด์ การชะละลาย หรือการล้าง เครื่องอัลตราซาวนด์ระดับอุตสาหกรรมที่ทนทานสามารถติดตั้งได้ง่ายเพื่อชะละลายธาตุหายากจากสินแร่ บำบัดสารแขวนลอยจากการทำเหมืองเพื่อให้กู้คืนได้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น หรือแยกโลหะมูลค่าสูง (เช่น Cu, Zn, Ni) ออกจากโลหะที่มีมูลค่าต่ำกว่า

การชะละลายด้วยอัลตราซาวนด์ส่งเสริมปฏิกิริยาผ่านการถ่ายเทมวลและการละลาย จึงให้ผลได้สูงขึ้นโดยใช้เวลาสกัดสั้นลง
ประโยชน์หลักของการชะละลายด้วยอัลตราซาวนด์ ได้แก่:

• ผลได้สูงขึ้น
• การชะละลายที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น
• ลดการใช้สารทำปฏิกิริยา
• สภาวะที่ไม่รุนแรงเท่าเดิม
• ทดสอบความเป็นไปได้ได้ง่าย
• การขยายขนาดแบบเชิงเส้น
• ติดตั้งระบบอัลตราซาวนด์ระดับเชิงพาณิชย์เต็มรูปแบบได้ง่าย
• เครื่องอัลตราซาวนด์ที่ทนทานอย่างยิ่งสำหรับกระแสของไหลปริมาตรมาก

การชะละลายโลหะมีค่าด้วยอัลตราซาวนด์: สกัดได้เร็วขึ้นด้วยเคมีของคาวิเทชัน

การกู้คืนโลหะมีค่า เช่น ทองคำ เงิน แพลทินัม แพลเลเดียม และโรเดียม เป็นรากฐานสำคัญของโลหวิทยาและการรีไซเคิลสมัยใหม่ – โดยเฉพาะในการแปรรูปสินแร่ หัวแร่ และทรัพยากรทุติยภูมิ เช่น เศษอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา แม้ว่าการชะละลายแบบดั้งเดิมจะเป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายแล้ว แต่ก็มักมีข้อจำกัดจากการถ่ายเทมวลที่ช้า การเกิดสภาวะพาสซีฟที่ผิว การแยกปลดปล่อยเฟสที่มีค่าอย่างไม่สมบูรณ์ และการใช้สารทำปฏิกิริยาในปริมาณมาก
การชะละลายด้วยอัลตราซาวนด์แก้ปัญหาคอขวดเหล่านี้ได้หลายประการ โดยส่งอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงเข้าสู่สารแขวนลอยสำหรับการชะละลาย ซึ่งเร่งจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาอย่างมากผ่านปรากฏการณ์ที่เรียกว่าคาวิเทชันทางเสียง

กลไกหลัก: คาวิเทชันทางเสียง

เมื่อถ่ายเทพลังงานอัลตราซาวนด์กำลังสูงเข้าสู่ของเหลว จะเกิดฟองคาวิเทชันขนาดจุลภาคที่ก่อตัวและยุบตัวอย่างรวดเร็ว การยุบตัวนี้ก่อให้เกิดสภาวะรุนแรงเฉพาะบริเวณ ได้แก่:

• การผสมระดับจุลภาคอย่างเข้มข้นและแรงเฉือน
• ลำเจ็ตขนาดจุลภาคความเร็วสูงที่พุ่งเข้าหาผิวของแข็ง
• จุดร้อนเฉพาะบริเวณ (อุณหภูมิและความดันสูงมากเป็นเวลาระดับไมโครวินาที)

แม้ว่าผลเหล่านี้จะเกิดขึ้นในระดับจุลภาค แต่ก็มีอิทธิพลอย่างมากต่อกระบวนการชะละลายในระดับมหภาค โดยทำให้พื้นผิวที่ทำปฏิกิริยาเปิดใหม่อย่างต่อเนื่อง และเร่งการเคลื่อนย้ายสารทำปฏิกิริยาเข้าสู่และออกจากอนุภาคของแข็ง

การชะละลายด้วยกรดที่เสริมด้วยอัลตราซาวนด์ดำเนินไปด้วยอัตราที่เร็วกว่าแบบดั้งเดิมสิบสองเท่า เนื่องจากผลทางกลที่เป็นประโยชน์ของฟองคาวิเทชันที่แตกใกล้พื้นผิว ปรากฏการณ์นี้ช่วยให้สารละลายกรดผสมกันได้ดีขึ้น จึงเพิ่มประสิทธิภาพของสมบัติด้านการเคลื่อนย้ายสาร
ภาพและงานวิจัย: © Canciani et al., 2024

เหตุใดอัลตราซาวนด์จึงช่วยปรับปรุงการชะละลายโลหะมีค่า

ในระบบการชะละลายส่วนใหญ่ ขั้นตอนที่จำกัดอัตราไม่ใช่ปฏิกิริยาเคมีเอง แต่เป็นการเคลื่อนย้ายสารตั้งต้นผ่านชั้นขอบเขต รูพรุน หรือฟิล์มผิวที่ทำให้เกิดสภาวะพาสซีฟ คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการชะละลายผ่านผลหลายประการที่เสริมกัน:

1. เพิ่มการถ่ายเทมวล
   อัลตราซาวนด์ลดความหนาของชั้นการแพร่ที่อยู่นิ่งรอบอนุภาคของแข็ง ทำให้สารชะละลาย (เช่น ไซยาไนด์ ไทโอซัลเฟต คลอไรด์ ไอโอไดด์ ไทโอยูเรีย หรือระบบที่เป็นกรด) เข้าถึงพื้นผิวที่มีโลหะได้เร็วขึ้น ขณะเดียวกันก็ช่วยนำสารเชิงซ้อนของโลหะที่ละลายแล้วออกไปได้อย่างมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น
2. การกระตุ้นผิวอนุภาค
   ลำเจ็ตขนาดจุลภาคและคลื่นกระแทกจากคาวิเทชันกัดกร่อน ทำความสะอาด และทำให้ผิวอนุภาคขรุขระอย่างต่อเนื่อง ทำให้เฟสแร่ที่ยังไม่สัมผัสสารชะละลายเปิดออก และเพิ่มพื้นที่ที่มีผลต่อการเกิดปฏิกิริยา – ซึ่งสำคัญเป็นพิเศษสำหรับสินแร่ที่สกัดได้ยากหรืออนุภาคที่มีชั้นเคลือบ
3. การทำลายชั้นพาสซีฟ
   แร่ที่มีโลหะมีค่าหลายชนิดก่อตัวเป็นชั้นผิวระหว่างการชะละลาย (เช่น ออกไซด์ ซัลเฟต กำมะถันในรูปธาตุ หรือฟิล์มซิลิกา) อัลตราซาวนด์สามารถทำลายสิ่งกีดขวางเหล่านี้ทางกายภาพ ทำให้สารชะละลายกลับเข้าถึงเฟสโลหะที่อยู่ข้างใต้ได้
4. เพิ่มการแทรกซึมเข้าสู่ของแข็งที่มีรูพรุน
   สำหรับหัวแร่ ตัวเร่งปฏิกิริยา และอนุภาคขยะอิเล็กทรอนิกส์ อัลตราซาวนด์ช่วยผลักของเหลวเข้าสู่รูพรุนและรอยแตกขนาดจุลภาค ทำให้สารทำปฏิกิริยาเข้าถึงโลหะมีค่าที่ฝังอยู่ภายในได้ดีขึ้น

การกระจายขนาดอนุภาคหลังการชะละลายด้วยอัลตราซาวนด์และการชะละลายแบบดั้งเดิม
ภาพและงานวิจัย: © Canciani et al., 2024

การประยุกต์ใช้: จากสินแร่สู่การทำเหมืองในเมือง

การชะละลายด้วยอัลตราซาวนด์ได้รับการศึกษามากขึ้นเรื่อย ๆ ทั้งในทรัพยากรปฐมภูมิและทุติยภูมิ:

• ทองคำและเงิน
  มีการแสดงให้เห็นว่าอัลตราซาวนด์กำลังสูงเร่งการชะละลายทองคำในไซยาไนด์และสารชะละลายทางเลือก โดยช่วยให้การเคลื่อนย้ายสารดีขึ้นและขจัดผลจากการเกิดสภาวะพาสซีฟ อีกทั้งยังเกี่ยวข้องกับการกู้คืนเงินจากสินแร่และกากตกค้างจากอุตสาหกรรม
• โลหะกลุ่มแพลทินัม (PGMs)
  การกู้คืนแพลทินัม แพลเลเดียม และโรเดียม – โดยเฉพาะจากเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยาที่ใช้แล้ว – มักอาศัยระบบการชะละลายที่ใช้คลอไรด์หรือระบบที่เป็นกรด อัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มจลนพลศาสตร์การละลาย โดยเร่งปฏิกิริยาที่พื้นผิวและช่วยให้เมทริกซ์เซรามิก/โลหะที่ซับซ้อนแตกตัวได้ดีขึ้น
• เศษอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
  แผงวงจรพิมพ์และชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์มีโลหะมีค่าที่มีมูลค่าสูง แต่มีสิ่งกีดขวางการแพร่อย่างมากเนื่องจากพอลิเมอร์ ออกไซด์ และโครงสร้างที่ประกอบด้วยวัสดุหลายชนิด การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยให้การชะละลายสม่ำเสมอขึ้นและสามารถลดเวลาที่ต้องใช้ในการชะละลายได้
• ธาตุหายากจากเถ้าถ่านหิน
  เถ้าถ่านหินอาจมีโลหะที่มีมูลค่าและธาตุหายาก ซึ่งมักยึดอยู่ภายในเฟสแร่หรือเมทริกซ์อะลูมิโนซิลิเกตที่มีลักษณะเป็นแก้ว การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มการสัมผัสระหว่างอนุภาคเถ้ากับสารละลายสำหรับการชะละลาย ซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการสกัดและลดเวลาการชะละลายได้
  อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการชะละลายธาตุหายากจากเถ้าด้วยอัลตราซาวนด์!

ข้อได้เปรียบหลักของกระบวนการ

จากมุมมองด้านวิศวกรรมกระบวนการ การชะละลายด้วยอัลตราซาวนด์ให้ประโยชน์หลายประการที่วัดได้:

• เวลาการชะละลายสั้นลงจากจลนพลศาสตร์ที่เร็วขึ้น
• ผลได้จากการสกัดสูงขึ้นเนื่องจากเข้าถึงพื้นผิวได้ดีขึ้น
• ใช้สารทำปฏิกิริยาน้อยลงในหลายระบบ (ต้องใช้สารชะละลายส่วนเกินน้อยลง)
• ให้ผลที่ทำซ้ำได้ดีขึ้นด้วยการกระจายตัวและการผสมที่ดีขึ้น
• อาจใช้อุณหภูมิในการดำเนินงานต่ำลงได้ เนื่องจากอัลตราซาวนด์ชดเชยจลนพลศาสตร์ทางความร้อนที่ช้าลง

ข้อควรพิจารณาด้านกระบวนการและการขยายขนาด

ความสำเร็จของการชะละลายด้วยอัลตราซาวนด์ขึ้นอยู่กับการออกแบบกระบวนการอย่างมาก พารามิเตอร์สำคัญ ได้แก่:

• ความหนาแน่นกำลังและแอมพลิจูดของอัลตราซาวนด์
• ความเข้มข้นของสารแขวนลอยและการกระจายขนาดอนุภาค
• รูปทรงของเครื่องปฏิกรณ์และสภาวะการไหล
• การควบคุมอุณหภูมิ
• การเลือกเคมีสำหรับการชะละลาย (กรด ด่าง คลอไรด์ ฯลฯ)

ประเด็นสำคัญคือการใช้งานในระดับอุตสาหกรรมต้องใช้เครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์กำลังสูงชนิดโพรบ เนื่องจากเครื่องอัลตราซาวนด์แบบอ่างโดยทั่วไปไม่สามารถส่งพลังงานเข้าสู่สารแขวนลอยสำหรับการชะละลายที่มีความหนาแน่นสูงได้อย่างเพียงพอ เซลล์การไหลอัลตราซาวนด์แบบอินไลน์สามารถผนวกรวมเข้ากับวงจรการชะละลายแบบต่อเนื่อง เพื่อให้ดำเนินงานโดยขยายขนาดได้ เครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงของ Hielscher สร้างขึ้นเพื่อรองรับการแปรรูปปริมาตรมากภายใต้สภาวะที่มีความต้องการสูง – เพิ่มผลได้ของโลหะที่ชะละลายพร้อมกับลดเวลาการแปรรูปและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี

เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher เป็นที่รู้จักอย่างดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบระดับสูงสุด ความทนทานและการใช้งานที่ง่ายช่วยให้ผนวกรวมเครื่องอัลตราซาวนด์ของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher รับมือกับสภาวะรุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่มีเทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานง่าย แน่นอนว่าเครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher เป็นไปตามมาตรฐาน CE และตรงตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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.