Ультразвукове вилуговування рідкісноземельних елементів з зол
Ультразвукове вилуговування може підвищити вихід екстракції та скоротити час обробки при вилученні рідкісноземельних елементів із зол. Покращуючи контакт між частинками золи та вилуговувальними агентами, потужний ультразвук прискорює розчинення та допомагає зробити цінні елементи більш доступними. Дослідження на вугільній зольній золі демонструють потенціал: дослідники повідомили про 97% екстракції ітрію, тоді як у окремому дослідженні щодо галію та ванадію час кислотного вилуговування було скорочено з 180 до 20 хвилин.
Зола як вторинний ресурс для рідкісноземельних елементів
Золи є перспективним вторинним ресурсом для рідкісноземельних елементів (REE). Залишки спалювання вугілля можуть містити ітрій та інші рідкісноземельні елементи, що використовуються в електроніці, енергетичних технологіях та передових матеріалах. Вилучення цих елементів з наявних потоків золи та відкладень може диверсифікувати постачання сировини та перетворити матеріал для утилізації на корисну сировину.
Потенціал екстракції залежить як від концентрації елементів, так і від їх доступності. Зола може містити цінні елементи, але під час вилуговування вивільняти лише обмежену частку, якщо навколишня мінеральна матриця обмежує доступ реагентів. Отже, склад золи, попередня обробка та хімія вилуговування слід розглядати в комплексі. Вилучення кількох цінних елементів з однієї й тієї ж сировини також може покращити перспективи процесу.
Ультразвукове вилуговування руйнує частинки золи, роблячи рідкісноземельні елементи доступними для вилуговувальних реагентів. Покращуючи масоперенесення між частинками та реагентом, ультразвукова обробка підвищує вилучення, скорочуючи час обробки!
Промислова установка соникаторів Hielscher: кластер соникаторів потужністю 48kW для вилуговування рідкісноземельних елементів з вугільних зол у потоці
Як ультразвук покращує вилуговування золи
Потужний ультразвук інтенсифікує екстракцію «тверде тіло–рідина» через акустичну кавітацію. У рідині утворюються та колапсують мікроскопічні бульбашки, генеруючи локальні зсувні сили, мікроджет-струмені та інтенсивне змішування. Ці ефекти можуть диспергувати агломерати частинок, очищати відкриті поверхні та покращувати транспорт вилуговувальних агентів до реакційних центрів. Розчинені речовини швидше транспортуються від поверхні, допомагаючи підтримувати розчинення.
Для переробки золи ці ефекти пропонують кілька практичних переваг:
- Швидше вилуговування: Покращене масоперенесення може скоротити час, необхідний для вилучення доступних металів.
- Вищий вихід екстракції: Покращений контакт поверхонь може допомогти вивільнити матеріал, який залишається недостатньо вилугованим при звичайному змішуванні.
- Поєднання з попередньою обробкою: Ультразвук може інтенсифікувати стадію вилуговування після активації, яка зробила стійкі фази більш доступними.
- Гнучка розробка процесу: Ультразвукову обробку можна розробити та адаптувати до змінної концентрації кислоти, навантаження твердими речовинами, температури та часу обробки.
Приклади досліджень: високі виходи та коротший час вилуговування
Наступні дослідження ілюструють ці переваги за специфічних експериментальних умов. Ітрій є рідкісноземельним елементом; галій та ванадій – інші цінні метали. Їх екстракція надає додаткові докази ефективності ультразвукової обробки золи.
Ітрій та ванадій: до 97% та 100% екстракції
Masoum et al. (2021) досліджували вилучення ванадію та ітрію з вугільної золи-винесення за допомогою сірчаної кислоти, пероксиду водню та ультразвуку. Дослідники застосували метод поверхні відгуку для оптимізації співвідношення тверда речовина–рідина та пропорцій сірчаної кислоти й пероксиду водню. За оптимізованих умов зафіксоване вилучення досягло 100% для ванадію та 97% для ітрію.
Модифікована модель зменшуваного ядра вказала на те, що швидкість реакції контролювалася масовою дифузією. Це відкриття підкреслює важливість транспортних процесів у досліджуваній системі та підтверджує доцільність націлення на масоперенесення під час оптимізації процесу. Результати демонструють, що високе вилучення ітрію є досяжним за комбінованої обробки, хоча зафіксовані виходи відображають повну реактивну та ультразвукову систему.
Зображення FESEM вихідної вугільної золи (a) до вилуговування золи, (b) після ультразвукового вилуговування.
Дослідження та зображення: ©Masoum et al., 2021
Галій і ванадій: на 88,89% коротший час вилуговування
Zhang et al. (2026) досліджували ультразвукове кислотне вилуговування після активаційного випалу з карбонатом натрію. Оптимізована попередня обробка полягала у випалюванні при 850°C протягом 60 хвилин із використанням масового співвідношення золи-винесення до Na₂CO₃ 2:1. Подальше ультразвукове кислотне вилуговування забезпечило високе вилучення галію та ванадію протягом 20 хвилин.
| Параметр | Ультразвукове вилуговування після активаційного випалу | Традиційне вилуговування |
|---|---|---|
| Час вилуговування | 20 хв | 180 хв |
| Ефективність вилуговування галію | 98,14% | 63,81% |
| Ефективність вилуговування ванадію | 92,32% | 83,56% |
Зменшення часу з 180 до 20 хвилин відповідає скороченню стадії вилуговування на 88,89%. Кінетичний аналіз вказав на збільшення констант швидкості та посилення як масоперенесення, так і міжфазних реакційних процесів. Ці результати демонструють потенціал поєднання активаційного випалу з ультразвуковим вилуговуванням. Економія часу стосується вилуговування; випалювання залишається додатковою стадією обробки.
Ультразвуково посилене кислотне вилуговування відбувається в дванадцять разів швидше, ніж традиційне кислотне вилуговування, завдяки корисній механічній дії колапсу бульбашок кавітації поблизу поверхні. Це явище покращує змішування кислотного розчину, тим самим посилюючи транспортні властивості.
Зображення та дослідження: © Canciani et al., 2024
2 промислові ультразвукові реактори UIP4000hdT для важких умов обробки
Розробіть свій процес ультразвукового вилуговування для високого вилучення рідкісноземельних елементів
Для практичного вилучення рідкісноземельних елементів вилуговування супроводжується розділенням і очищенням розчинених елементів. Тому висока ефективність вилуговування є важливим проміжним результатом, а не виходом готового продукту з рідкісноземельних елементів. Оцінка процесу повинна включати подальше вилучення, використання реагентів та енергію, необхідну як для попередньої обробки, так і для ультразвукової обробки.
Hielscher пропонує промислового класу лабораторні ультразвукові реактори та потужні ультразвукові проточні реактори для розробки та впровадження інтенсифікованих процесів вилуговування. Вибір обладнання та випробування можуть встановити відповідну амплітуду, навантаження твердими речовинами, час перебування та контроль температури для конкретної золи.
Просте масштабування до великих об’ємів: Після встановлення параметрів для оптимального вилучення їх можна лінійно масштабувати до будь-якого промислового об’єму вилуговування.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для застосувань у змішуванні, диспергуванні, емульгуванні та вилученні на лабораторному, пілотному та промисловому рівнях.
Зображення SEM частинок у різні моменти часу при традиційному (a–c) та ультразвуковому (d–f) вилуговуванні.
Зображення та дослідження: © Canciani et al., 2024
Часто задавані питання
Як ультразвук покращує вилуговування рідкісноземельних елементів із золи?
Ультразвук генерує акустичну кавітацію у шлам для вилуговування. Колапс бульбашок створює інтенсивне локальне змішування, зсувні сили та мікрострумені, які покращують контакт між частинками золи та розчином для вилуговування. Ці ефекти оголюють реакційноздатні поверхні та прискорюють масоперенесення, сприяючи збільшенню виходів вилучення та скороченню часу вилуговування.
Які рідкісноземельні елементи та цінні метали можна вилуговувати з зол?
Залежно від походження та мінерального складу, з попелу можна вилуговувати рідкісноземельні елементи, включаючи лантан (La), церій (Ce), неодим (Nd), диспрозій (Dy), ітрій (Y) та скандій (Sc). Зольний пил вугільних електростанцій є потенційним джерелом цих елементів.
Інші цінні метали включають галій (Ga) та ванадій (V) у відповідних вугільних золах, а також мідь (Cu) та цинк (Zn) у золах від спалювання муніципальних відходів.
Чому використовувати потужний зондовий ультразвуковий обробник для вилуговування золи?
Зондовий ультразвуковий обробник вводить ультразвукову енергію безпосередньо в суспензію через сонотрод (ультразвуковий зонд/стрижень). Це забезпечує інтенсивну обробку сумішей тверде–рідке та надає регульовані умови обробки. Промислове обладнання для ультразвукової обробки Hielscher підтримує інтеграцію в контури вилуговування, де важливі контрольований вхід енергії та надійна експлуатація. Конфігурація має відповідати складу суспензії, навантаженню твердими речовинами та необхідній пропускній здатності.
Ось кілька застосувань вилуговування Hielscher:
Чи можуть ультразвукові обробники Hielscher працювати безперервно?
Так. Промислові ультразвукові обробники Hielscher, такі як UIP500hdT (500W) до UIP16000hdT (16 000W), розроблені для безперервної роботи 24/7. Їх можна налаштувати для пакетної обробки, рециркуляції або безперервної обробки через проточну ультразвукову комірку. Для вилуговування золи установка інтегрується в систему перекачування суспензії, контроль температури та вибрану хімію вилуговування.
Чи можна масштабувати ультразвукове вилуговування до промислового виробництва?
Так, ультразвукові обробники Hielscher дозволяють лінійне масштабування. Hielscher пропонує обладнання для лабораторних випробувань, пілотного виробництва та промислового виробництва, включаючи 16 kW процесори, які можна комбінувати в кластери. Масштабування починається з випробувань для встановлення відповідної амплітуди, входу енергії, температури та часу перебування. Ці результати є основою для вибору місткості реактора та валідації ефективності екстракції при необхідній пропускній здатності.
Чи замінює ультразвук кислоти або активаційне обсмажування?
Ультразвук інтенсифікує процес вилуговування, тоді як хімічні реагенти забезпечують хімію, необхідну для розчинення цільових елементів. Деякі золи також можуть потребувати попередньої обробки, щоб зробити стійкі мінеральні фази доступними.
Які параметри процесу можна контролювати?
Усі ультразвукові обробники Hielscher від 200 ват і вище підтримують моніторинг та автоматичний запис амплітуди, потужності, часу обробки та температури, а вимірювання тиску доступне через опціональний датчик. Ці дані допомагають порівнювати випробування та надійно відтворювати умови експлуатації. Ефективність екстракції рідкісноземельних елементів має визначатися окремо через хімічний аналіз вихідної сировини, фільтрату та залишкових твердих речовин.
Чи можна використовувати ультразвукове обладнання з кислотними, абразивними суспензіями золи?
Hielscher Ultrasonics пропонує рішення для ультразвукової обробки кислотних, абразивних суспензій золи. Сонотроди, проточні комірки, ущільнення та інші компоненти, що контактують із середовищем, необхідно підбирати з урахуванням складу кислоти, концентрації, температури та абразивності частинок.
Чи означає вища ефективність вилуговування вище кінцеве вилучення рідкісноземельних елементів?
Так, вища ефективність вилуговування означає, що більше цільового елемента переходить у рідку фазу. Для отримання придатного продукту з рідкісноземельних елементів також потрібне розділення та очищення на наступних етапах. Загальне вилучення залежить від ефективності всього процесу.
Як вибрати ультразвуковий обробник Hielscher для мого процесу?
Почніть з репрезентативних зразків золи та визначте цільові елементи, концентрацію суспензії, хімію вилуговування, об’єм партії або об’ємну витрату та бажаний вихід екстракції. Ми в Hielscher можемо допомогти вам вибрати обладнання для випробувань на доцільність та подальшого лінійного масштабування. Наш технічний центр та лабораторія процесів також пропонують випробування для підтримки вибору обладнання.
Література / Посилання
- 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.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори від лабораторного до промислового розміру.