Ультразвукове вилуговування рідкоземельних елементів із золи
Ультразвукове вилуговування дозволяє підвищити вихід екстракції та скоротити час обробки під час вилучення рідкісноземельних елементів із золи. Покращуючи контакт між частинками золи та вилуговувальними речовинами, потужний ультразвук прискорює розчинення та сприяє підвищенню доступності цінних елементів. Дослідження вугільної золи демонструють цей потенціал: вчені повідомили про видобуток ітрію на рівні 97 %, а в окремому дослідженні щодо галію та ванадію час кислотного вилуговування вдалося скоротити з 180 до 20 хвилин.
Попіл як вторинне джерело рідкоземельних елементів
Зола є перспективним вторинним джерелом рідкісноземельних елементів (РЗЕ). Залишки спалювання вугілля можуть містити ітрій та інші рідкісноземельні елементи, що використовуються в електроніці, енергетичних технологіях та сучасних матеріалах. Вилучення цих елементів із наявних потоків золи та відкладень може сприяти диверсифікації джерел постачання сировини та перетворити відходи на корисну сировину.
Потенціал видобутку залежить як від концентрації елементів, так і від їх доступності. Зола може містити цінні елементи, проте під час вилуговування вивільнятиме лише обмежену їх частину, якщо навколишня мінеральна матриця обмежує доступ реагентів. Отже, склад золи, попередня обробка та хімія вилуговування повинні розглядатися комплексно. Вилучення кількох цінних елементів з одного й того самого сировинного матеріалу також може покращити перспективи технологічного процесу.
Ультразвукове вилуговування роздрібнює частинки золи, що робить рідкоземельні елементи доступними для реагентів вилуговування. Покращуючи масообмін між частинками та реагентом, ультразвукова обробка підвищує вихід продукту та водночас скорочує час обробки!
Промислове впровадження ультразвукових пристроїв компанії Hielscher: кластер ультразвукових пристроїв потужністю 48 кВт для потокового вилуговування рідкоземельних елементів із вугільної золи
Як ультразвук покращує вилуговування золи
Потужний ультразвук підсилює екстракцію «тверде-рідина» за рахунок акустичної кавітації. У рідині утворюються та руйнуються мікроскопічні бульбашки, що створює локальні зсувні сили, мікрострумені та інтенсивне перемішування. Ці ефекти дозволяють розбивати агломерати частинок, очищати відкриті поверхні та покращувати транспортування вилужувальних речовин до активних ділянок. Розчинені речовини швидше виводяться, що сприяє підтримці процесу розчинення.
У процесі переробки золи ці ефекти дають низку практичних переваг:
- Швидше вимивання: Посилений масообмін може скоротити час, необхідний для вилучення доступних металів.
- Вищий вихід екстракту: Покращений контакт з поверхнею може сприяти вивільненню речовин, які при звичайному перемішуванні вилуговуються недостатньо.
- Поєднання з попередньою обробкою: Ультразвук може посилити етап вилуговування після того, як активація зробила стійкі фази більш доступними.
- Гнучка розробка процесів: Ультразвукову обробку можна налагодити з урахуванням різних концентрацій кислоти, вмісту твердих речовин, температури та тривалості обробки.
Приклади досліджень: висока врожайність та скорочення часу вилуговування
Наведені нижче дослідження ілюструють ці переваги в конкретних експериментальних умовах. Ітрій — це рідкоземельний елемент; галій і ванадій — інші цінні метали. Їх вилучення є додатковим підтвердженням ефективності ультразвукової обробки золи.
Ітрій та ванадій: ступінь вилучення — до 97 % та 100 %
Масум та ін. (2021) досліджували вилучення ванадію та ітрію з вугільної попелу за допомогою сірчаної кислоти, перекису водню та ультразвуку. Дослідники застосували методологію поверхні відгуку для оптимізації співвідношення «тверда фаза–рідина» та пропорцій сірчаної кислоти й перекису водню. За оптимізованих умов екстракція ванадію досягла 100 %, а ітрію — 97 %.
Модифікована модель «зменшуваного ядра» показала, що швидкість реакції визначається дифузією речовини. Цей висновок підкреслює важливість транспортних процесів у досліджуваній системі та підтверджує доцільність зосередження уваги на масообміні під час оптимізації процесу. Результати свідчать про те, що за допомогою комбінованої обробки можна досягти високого рівня вилучення ітрію, хоча наведені показники виходу відображають результати використання повного набору реагентів та ультразвукової системи.
Зображення FESEM сирої вугільної золи: (а) до вилуговування вугільної золи, (б) після ультразвукового вилуговування.
Дослідження та ілюстрації: ©Masoum та ін., 2021
Галій і ванадій: скорочення часу вилуговування на 88,89 %
Чжан та ін. (2026) досліджували ультразвукове кислотне вилуговування після обпалювання з активацією карбонатом натрію. Оптимізована попередня обробка полягала у прожарюванні при температурі 850 °C протягом 60 хвилин із застосуванням масового співвідношення попелу до Na₂CO₃ 2:1. Подальше ультразвукове кислотне вилуговування забезпечило високий рівень вилучення галію та ванадію протягом 20 хвилин.
| Параметр | Ультразвукове вилуговування після активаційного обпалення | Традиційне вилуговування |
|---|---|---|
| Час вилуговування | Двадцять хвилин | 180 хвилин |
| Ефективність вилучення галію | 98,14 % | 63,81 % |
| Ефективність вилуговування ванадію | 92,32 % | 83,56 % |
Скорочення часу з 180 до 20 хвилин відповідає скороченню етапу вилуговування на 88,89 %. Кінетичний аналіз показав збільшення констант швидкості та посилення як процесів масообміну, так і міжфазних реакцій. Ці результати свідчать про потенціал поєднання активаційного обпалення з ультразвуковим вилуговуванням. Економія часу стосується вилуговування; обпалювання залишається додатковим етапом обробки.
Кислотне вилуговування з ультразвуковим посиленням відбувається зі швидкістю в дванадцять разів швидше, ніж звичайне кислотне вилуговування, завдяки корисній механічній дії кавітаційних бульбашок, що лопаються біля поверхні. Це явище покращує перемішування кислотного розчину, тим самим посилюючи транспортні властивості.
Зображення та дослідження: © Canciani та ін., 2024
2 промислові ультразвукові апарати UIP4000hdT для обробки у важких умовах експлуатації
Розробіть процес ультразвукового вилуговування для високого виходу рідкісноземельних елементів
У процесі промислового видобутку рідкісноземельних елементів після вилуговування проводиться розділення та очищення розчинених елементів. Тому висока ефективність вилуговування є важливим проміжним результатом, а не виходом готового продукту з рідкісноземельних елементів. Оцінка технологічного процесу повинна враховувати подальше вилучення, використання реагентів та енергоспоживання як на етапі попередньої обробки, так і під час ультразвукової обробки.
Компанія Hielscher пропонує настільні ультразвукові апарати промислового класу та ультразвукові потокові реактори підвищеної міцності для розробки та впровадження інтенсифікованих процесів вилуговування. Підбір обладнання та проведення випробувань дозволяють визначити оптимальні параметри: амплітуду, концентрацію твердих речовин, час перебування та контроль температури для конкретного виду золи.
Просте масштабування до великих обсягів: Після визначення параметрів, що забезпечують оптимальне вилучення, їх можна лінійно масштабувати до будь-якого промислового обсягу вилуговування.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
SEM-зображення для частинок у різний час звичайного (a–c) та ультразвукового (d–f) вилуговування.
Зображення та дослідження: © Canciani та ін., 2024
Поширені запитання
Як ультразвук сприяє вилуганню рідкісноземельних елементів із золи?
Ультразвук викликає акустичну кавітацію в розчині для вилуговування. Руйнування бульбашок призводить до інтенсивного локального перемішування, виникнення зсувних сил та мікроструменів, що покращують контакт між частинками золи та розчином для вилуговування. Ці ефекти оголюють реактивні поверхні та прискорюють масообмін, сприяючи підвищенню виходу екстракції та скороченню часу вилуговування.
Які рідкоземельні елементи та дорогоцінні метали можна вилучити з попелу шляхом вилуговування?
Залежно від походження та мінерального складу золу можна піддавати вилуговуванню для вилучення рідкоземельних елементів, зокрема лантану (La), церію (Ce), неодиму (Nd), диспрозію (Dy), ітрію (Y) та скандію (Sc). Попіл вугілля є потенційним джерелом цих елементів.
До інших цінних металів належать галій (Ga) і ванадій (V) у відповідних видах вугільної золи, а також мідь (Cu) і цинк (Zn) у золі від спалювання побутових відходів.
Чому для вилуговування золи слід використовувати ультразвуковий апарат з потужним датчиком?
Зондовий ультразвуковий апарат подає ультразвукову енергію безпосередньо в суспензію через сонотрод (ультразвуковий зонд/стрижень). Це забезпечує інтенсивну обробку сумішей твердих речовин і рідин та дозволяє регулювати умови обробки. Промислове ультразвукове обладнання компанії Hielscher підтримує інтеграцію в контури вилуговування, де контрольоване подавання енергії та надійна робота мають вирішальне значення. Конфігурація повинна відповідати складу суспензії, вмісту твердих речовин та необхідній продуктивності.
Ось кілька прикладів застосування технології вилуговування від компанії Hielscher:
Чи можуть ультразвукові апарати Hielscher працювати безперервно?
Так. Промислові ультразвукові апарати компанії Hielscher, такі як UIP500hdT (500 Вт) та UIP16000hdT (16 000 Вт), призначені для безперервної роботи 24 години на добу, 7 днів на тиждень. Їх можна налаштувати для періодичної обробки, рециркуляції або безперервної обробки за допомогою ультразвукової проточній комірки. Для вилуговування золи установка інтегрована в систему перекачування суспензії, регулювання температури та обраний хімічний склад розчину для вилуговування.
Чи можна масштабувати ультразвукове вилуговування до рівня промислового виробництва?
Так, ультразвукові апарати Hielscher забезпечують лінійне масштабування. Компанія Hielscher пропонує обладнання для лабораторних випробувань, пілотного виробництва та промислового виробництва, включаючи процесори потужністю 16 кВт, які можна об'єднувати в кластери. Масштабування починається з випробувань для визначення відповідної амплітуди, енергоспоживання, температури та часу перебування. Ці результати слугують основою для вибору потужності реактора та перевірки ефективності екстракції при необхідній пропускній здатності.
Чи замінює ультразвук обробку кислотами або активаційне обсмажування?
Ультразвук прискорює процес вилуговування, тоді як хімічні реагенти забезпечують хімічні умови, необхідні для розчинення цільових елементів. Деякі види золи також можуть потребувати попередньої обробки, щоб зробити доступними стійкі мінеральні фази.
Які параметри процесу можна контролювати?
Усі ультразвукові апарати Hielscher потужністю від 200 Вт підтримують функцію моніторингу та автоматичного запису амплітуди, потужності, тривалості обробки та температури, а вимірювання тиску здійснюється за допомогою додаткового датчика. Ці дані допомагають порівнювати експерименти та надійно відтворювати умови роботи. Ефективність вилучення елементів рідкісних земель необхідно визначати окремо шляхом хімічного аналізу вихідної сировини, фільтрату та залишків твердих речовин.
Чи можна використовувати ультразвукове обладнання з кислими абразивними суспензіями золи?
Компанія Hielscher Ultrasonics пропонує рішення для ультразвукової обробки кислих абразивних суспензій золи. Сонотроди, пропускні камери, ущільнення та інші компоненти, що контактують з рідиною, слід підбирати з урахуванням складу кислоти, її концентрації, температури та абразивності частинок.
Чи означає вища ефективність вилуговування вищий кінцевий вихід рідкісноземельних елементів?
Так, вища ефективність вилуговування означає, що більша кількість цільового елемента переходить у рідку фазу. Для отримання придатного для використання продукту з рідкісних земель також необхідні подальші етапи розділення та очищення. Загальний вихід залежить від ефективності всього технологічного процесу.
Як вибрати ультразвуковий апарат Hielscher для мого технологічного процесу?
Почніть з репрезентативних зразків золи та визначте цільові елементи, концентрацію суспензії, хімічний склад розчину для вилуговування, об’єм партії або швидкість потоку, а також бажаний вихід екстракції. Компанія Hielscher допоможе вам підібрати обладнання для проведення випробувань на реалістичність та подальшого лінійного масштабування. Наш технічний центр та технологічна лабораторія також пропонують проведення випробувань для сприяння вибору обладнання.
Література / Список літератури
- 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 з Лабораторії до промислові розміри.