Hòa tách các nguyên tố đất hiếm từ tro bằng siêu âm

Hòa tách bằng siêu âm có thể tăng hiệu suất chiết tách và rút ngắn thời gian xử lý khi thu hồi các nguyên tố đất hiếm từ tro. Bằng cách cải thiện sự tiếp xúc giữa các hạt tro và tác nhân hòa tách, siêu âm công suất cao đẩy nhanh quá trình hòa tan và giúp các nguyên tố có giá trị dễ tiếp cận hơn. Các nghiên cứu về tro bay từ than cho thấy tiềm năng này: các nhà nghiên cứu báo cáo hiệu suất chiết tách yttri đạt 97%, trong khi một nghiên cứu riêng biệt về gali và vanadi đã rút ngắn thời gian hòa tách bằng axit từ 180 xuống còn 20 phút.

Tro là nguồn tài nguyên thứ cấp cung cấp các nguyên tố đất hiếm

Tro là nguồn tài nguyên thứ cấp đầy triển vọng cung cấp các nguyên tố đất hiếm (REEs). Phần dư từ quá trình đốt than có thể chứa yttri và các nguyên tố đất hiếm khác được sử dụng trong điện tử, công nghệ năng lượng và vật liệu tiên tiến. Việc thu hồi các nguyên tố này từ các dòng tro và bãi tro hiện có có thể đa dạng hóa nguồn cung nguyên liệu và biến vật liệu phải thải bỏ thành nguyên liệu đầu vào hữu ích.
Tiềm năng chiết tách phụ thuộc vào cả hàm lượng nguyên tố lẫn khả năng tiếp cận chúng. Tro có thể chứa các nguyên tố có giá trị nhưng chỉ giải phóng một phần hạn chế trong quá trình hòa tách nếu nền khoáng bao quanh cản trở sự tiếp cận của thuốc thử. Do đó, cần xem xét đồng thời thành phần tro, quá trình tiền xử lý và các yếu tố hóa học của quá trình hòa tách. Việc thu hồi nhiều nguyên tố có giá trị từ cùng một nguyên liệu đầu vào cũng có thể cải thiện triển vọng của một quy trình.
Hòa tách bằng siêu âm làm vỡ các hạt tro, giúp thuốc thử hòa tách tiếp cận được các nguyên tố đất hiếm. Bằng cách cải thiện sự truyền khối giữa các hạt và thuốc thử, xử lý siêu âm làm tăng hiệu suất thu hồi đồng thời rút ngắn thời gian xử lý!

Siêu âm cải thiện quá trình hòa tách tro như thế nào

Siêu âm công suất cao tăng cường quá trình chiết rắn–lỏng thông qua hiện tượng xâm thực âm. Các bọt khí cực nhỏ hình thành và sụp đổ trong chất lỏng, tạo ra lực cắt cục bộ, các vi tia chất lỏng và sự khuấy trộn mạnh. Những tác động này có thể phân tán các khối hạt kết tụ, làm sạch các bề mặt lộ ra và cải thiện sự vận chuyển tác nhân hòa tách đến các vị trí phản ứng. Các chất đã hòa tan được vận chuyển ra xa nhanh hơn, giúp duy trì quá trình hòa tan.

Trong xử lý tro, những tác động này mang lại một số lợi ích thiết thực:

• Hòa tách nhanh hơn: Sự truyền khối được tăng cường có thể rút ngắn thời gian cần thiết để chiết tách các kim loại mà tác nhân hòa tách có thể tiếp cận.
• Hiệu suất chiết tách cao hơn: Việc cải thiện sự tiếp xúc bề mặt có thể giúp giải phóng phần vật chất chưa được hòa tách đầy đủ khi khuấy trộn thông thường.
• Kết hợp với tiền xử lý: Siêu âm có thể tăng cường giai đoạn hòa tách sau khi quá trình hoạt hóa giúp các pha khó hòa tách trở nên dễ tiếp cận hơn.
• Phát triển quy trình linh hoạt: Có thể phát triển quy trình xử lý siêu âm phù hợp với các mức nồng độ axit, hàm lượng chất rắn, nhiệt độ và thời gian xử lý khác nhau.

Các ví dụ nghiên cứu: Hiệu suất cao và thời gian hòa tách ngắn hơn

Các nghiên cứu sau đây minh họa những lợi ích này trong các điều kiện thí nghiệm cụ thể. Yttri là một nguyên tố đất hiếm; gali và vanadi là các kim loại có giá trị khác. Việc chiết tách các nguyên tố này cung cấp thêm bằng chứng cho phương pháp xử lý tro bằng siêu âm.

Yttri và vanadi: Hiệu suất chiết tách lên đến 97% và 100%

Masoum et al. (2021) đã nghiên cứu việc chiết xuất vanadi và yttri từ tro bay than bằng axit sulfuric, hydro peroxit và siêu âm. Các nhà nghiên cứu đã áp dụng phương pháp bề mặt đáp ứng để tối ưu hóa tỷ lệ rắn–lỏng và tỷ lệ axit sulfuric và hydro peroxit. Trong các điều kiện đã tối ưu hóa, hiệu suất chiết xuất được báo cáo đạt 100% đối với vanadi và 97% đối với yttri.
Một mô hình lõi co được hiệu chỉnh cho thấy sự khuếch tán vật chất chi phối tốc độ phản ứng. Phát hiện này nhấn mạnh tầm quan trọng của các quá trình vận chuyển trong hệ được nghiên cứu và củng cố cơ sở cho việc tập trung vào truyền khối khi tối ưu hóa quy trình. Các kết quả cho thấy có thể đạt hiệu suất chiết xuất yttri cao bằng phương pháp xử lý kết hợp, mặc dù các hiệu suất được báo cáo phản ánh toàn bộ hệ kết hợp thuốc thử và siêu âm.

Ảnh FESEM của tro than thô: (a) bên trái, trước khi hòa tách tro than, (b) sau khi hòa tách bằng siêu âm.
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Masoum et al., 2021

Gali và vanadi: Thời gian hòa tách ngắn hơn 88,89%

Zhang et al. (2026) đã nghiên cứu hòa tách bằng axit có hỗ trợ siêu âm sau khi nung hoạt hóa bằng natri cacbonat. Bước tiền xử lý đã tối ưu hóa bao gồm nung ở 850°C trong 60 phút, với tỷ lệ khối lượng tro bay trên Na₂CO₃ là 2:1. Bước hòa tách bằng axit có hỗ trợ siêu âm tiếp theo đạt hiệu suất chiết xuất gali và vanadi cao trong vòng 20 phút.

Việc giảm từ 180 xuống 20 phút tương ứng với công đoạn hòa tách ngắn hơn 88,89%. Phân tích động học cho thấy các hằng số tốc độ tăng và cả quá trình truyền khối lẫn phản ứng tại bề mặt phân cách đều được tăng cường. Các kết quả này cho thấy tiềm năng của việc kết hợp nung hoạt hóa với hòa tách bằng siêu âm. Thời gian tiết kiệm được áp dụng cho bước hòa tách; nung vẫn là một bước xử lý bổ sung.

Hòa tách bằng axit được tăng cường bằng siêu âm diễn ra với tốc độ nhanh gấp mười hai lần so với hòa tách bằng axit thông thường, nhờ tác động cơ học có lợi của các bọt xâm thực vỡ gần bề mặt. Hiện tượng này cải thiện sự trộn dung dịch axit, qua đó tăng cường các đặc tính vận chuyển.
Hình ảnh và nghiên cứu: © Canciani et al., 2024

Phát triển quy trình hòa tách bằng siêu âm để đạt hiệu suất thu hồi đất hiếm cao

Trong thực tế chiết xuất đất hiếm, sau bước hòa tách là bước phân tách và tinh sạch các nguyên tố đã hòa tan. Vì vậy, hiệu suất hòa tách cao là một kết quả trung gian quan trọng, chứ không phải hiệu suất thu được sản phẩm đất hiếm thành phẩm. Việc đánh giá quy trình cần bao gồm công đoạn thu hồi phía sau, lượng thuốc thử sử dụng và năng lượng cần thiết cho cả tiền xử lý lẫn xử lý siêu âm.
Hielscher cung cấp các thiết bị siêu âm để bàn đạt tiêu chuẩn công nghiệp và các thiết bị phản ứng siêu âm dòng chảy dành cho vận hành cường độ cao để phát triển và triển khai các quy trình hòa tách tăng cường. Việc lựa chọn thiết bị và thử nghiệm có thể giúp xác định biên độ, hàm lượng chất rắn, thời gian lưu và chế độ kiểm soát nhiệt độ phù hợp với từng loại tro.
Dễ dàng mở rộng quy mô lên thể tích lớn: Sau khi được xác lập, các thông số để thu hồi tối ưu có thể được mở rộng quy mô tuyến tính cho bất kỳ thể tích hòa tách thương mại nào.

Ảnh SEM của các hạt tại những thời điểm khác nhau trong quá trình hòa tách thông thường (a–c) và hòa tách bằng siêu âm (d–f).
Hình ảnh và nghiên cứu: © Canciani et al., 2024

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.