Ультразвукове вилуговування дорогоцінних металів

Потужний ультразвук є ефективним методом вилучення металів, таких як дорогоцінні метали та рідкісноземельні елементи. Цей процес ультразвуково-асистованого твердо-рідкого вилучення відомий як соно-вилуговування, вилуговування або промивання. Надійні промислові ультразвукові системи можна легко встановити для вилуговування рідкісноземельних елементів з руд, обробки гірничих пульп для більш повного вилучення або розділення високоцінних металів (наприклад, Cu, Zn, Ni) від менш цінних металів.

Ультразвукове вилуговування сприяє реакції за рахунок масоперенесення та розчинення, так що досягаються вищі виходи за коротший час вилучення.
Основні переваги ультразвукового вилуговування:

• вищий вихід
• більш повне вилуговування
• зменшене споживання реагентів
• м’якші умови
• просте тестування технічної можливості
• лінійне масштабування
• легке встановлення повністю промислових ультразвукових систем
• дуже надійні ультразвукові системи для потоків великого об’єму

Ультразвукове вилуговування дорогоцінних металів: швидше вилучення завдяки хімії кавітації

Вилучення дорогоцінних металів, таких як золото, срібло, платина, паладій та родій, є наріжним каменем сучасної металургії та переробки – особливо при переробці руд, концентратів та вторинних ресурсів, таких як електронний брухт та каталітичні нейтралізатори. Хоча традиційне вилуговування є добре розробленим, воно часто обмежене повільним масоперенесенням, пасивацією поверхні, неповним вивільненням цінних фаз та високим споживанням реагентів.
Ультразвукове вилуговування вирішує багато з цих вузьких місць, вводячи високоінтенсивний ультразвук у пульпу для вилуговування, драматично інтенсифікуючи кінетику реакції через явище, відоме як акустична кавітація.

Основний механізм: акустична кавітація

Коли високопотужний ультразвук вводиться в рідину, він створює мікроскопічні кавітаційні бульбашки, які швидко утворюються та колапсують. Цей колапс генерує екстремальні локальні умови, включаючи:

• інтенсивне мікрозмішування та зсувні сили
• високошвидкісні мікрострумені, спрямовані на тверді поверхні
• локальні гарячі точки (дуже високі температури та тиски протягом мікросекунд)

Хоча ці ефекти відбуваються на мікроскопічному рівні, вони сильно впливають на макроскопічний процес вилуговування, безперервно оновлюючи реакційну поверхню та прискорюючи транспорт реагентів до твердих частинок і від них.

 

Ультразвуково-посилене кислотне вилуговування відбувається зі швидкістю, в дванадцять разів більшою, ніж традиційне кислотне вилуговування, завдяки корисній механічній дії кавітаційних бульбашок, які лопаються поблизу поверхні. Це явище покращує змішування кислотного розчину, тим самим підвищуючи транспортні властивості.
Зображення та дослідження: © Canciani et al., 2024

Чому ультразвук покращує вилуговування дорогоцінних металів

У більшості систем вилуговування лімітуючою стадією є не сама хімічна реакція, а радше транспорт реагентів через граничні шари, пори або пасивуючі поверхневі плівки. Ультразвукова кавітація покращує ефективність вилуговування через кілька синергічних ефектів:

1. Посилене масоперенесення
   Ультразвук зменшує товщину нерухомого дифузійного шару навколо твердих частинок. Це дозволяє вилуговувачам (наприклад, ціаніду, тіосульфату, хлориду, йодиду, тіомочевині або кислотним системам) швидше досягати поверхні, що містить метал, тоді як розчинені металеві комплекси видаляються більш ефективно.
2. Активація поверхні частинок
   Мікрострумені кавітації та ударні хвилі безперервно еродують, очищують та шорстять поверхні частинок. Це виставляє свіжі мінеральні фази та збільшує ефективну реакційну площу – особливо важливо для вогнетривких руд або покритих частинок.
3. Руйнування шарів пасивації
   Багато мінералів, що містять дорогоцінні метали, утворюють поверхневі шари під час вилуговування (наприклад, оксиди, сульфати, елементарна сірка або силікатні плівки). Ультразвук може фізично руйнувати ці бар’єри, відновлюючи доступ вилуговувального агента до нижче розташованої металевої фази.
4. Покращене проникнення в пористі тверді тіла
   Для концентратів, каталізаторів та частинок електронних відходів ультразвук допомагає примусово вводити рідину в пори та мікротріщини, покращуючи доступ реагентів до вбудованих дорогоцінних металів.

Розподіли розмірів частинок після ультразвукового та традиційного вилуговування
Зображення та дослідження: © Canciani et al., 2024

Застосування: від руд до урбаністичного видобутку

Ультразвукове вилуговування дедалі частіше досліджується як для первинних, так і для вторинних ресурсів:

• Золото та срібло
  Показано, що потужний ультразвук прискорює вилуговування золота в ціанідних та альтернативних вилуговувачах, покращуючи транспорт та видаляючи ефекти пасивації. Він також актуальний для вилучення срібла з руд та промислових залишків.
• Метали платинової групи (MPG)
  Вилучення платини, паладію та родію – особливо з відпрацьованих каталітичних нейтралізаторів – часто спирається на хлоридні або кислотні системи вилуговування. Ультразвук посилює кінетику розчинення, інтенсифікуючи поверхневі реакції та покращуючи руйнування складних керамічних/металевих матриць.
• Електронний брухт
  Друковані плати та електронні компоненти містять цінні дорогоцінні метали, але створюють сильні дифузійні бар’єри через полімери, оксиди та багатокомпонентні структури. Ультразвукова обробка покращує однорідність вилуговування та може зменшити необхідний час вилуговування.
• Рідкісноземельні елементи з вугільної золи
  Вугільна зола може містити цінні метали та рідкісноземельні елементи, часто зв’язані в мінеральних фазах або скляній алюмосилікатній матриці. Ультразвукова обробка покращує контакт між частинками золи та розчином для вилуговування, що може підвищити ефективність вилучення та скоротити час вилуговування.
  Читайте більше про ультразвукове вилуговування рідкісноземельних елементів з зол!

Ключові переваги процесу

З точки зору процесної інженерії, ультразвукове вилуговування пропонує кілька вимірюваних переваг:

• коротші часи вилуговування завдяки прискореній кінетиці
• вищі виходи вилучення завдяки покращеному доступу до поверхні
• менше споживання реагентів у багатьох системах (потребується менше надлишкового вилуговувача)
• покращена відтворюваність завдяки кращому диспергуванню та змішуванню
• потенційно нижча робоча температура, оскільки ультразвук компенсує повільнішу термічну кінетику

Розгляд процесу та масштабування

Успішне ультразвукове вилуговування сильно залежить від проектування процесу. Критичні параметри включають:

• потужнісна щільність та амплітуда ультразвуку
• концентрація пульпи та розподіл розмірів частинок
• геометрія реактора та умови потоку
• контроль температури
• вибір хімії вилуговування (кислотна, лужна, хлоридна тощо)

Важливо, що промислове впровадження вимагає ультразвукових реакторів високої потужності зондового типу, оскільки ваннові ультразвукові системи зазвичай не передають достатньої енергії в щільні пульпи для вилуговування. Проточні ультразвукові комірки можна інтегрувати в континентні контури вилуговування, забезпечуючи масштабовану роботу. Високопродуктивні ультразвукові системи Hielscher розроблені для обробки великих об’ємів у складних умовах – збільшуючи виходи вилугованих металів, одночасно зменшуючи час обробки та вплив на навколишнє середовище.

Проектування, виробництво та консалтинг – якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові системи Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність та простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові системи в промислові об’єкти. Жорсткі умови та складні середовища легко витримуються ультразвуковими системами Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є компанією, сертифікованою за ISO, і приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим системам, що мають передові технології та зручність у використанні. Звичайно, ультразвукові системи Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA та RoHs.

Література / Посилання

• 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.