Quá trình chiết xuất các nguyên tố đất hiếm từ tro bằng sóng siêu âm
Quá trình tách chiết bằng sóng siêu âm có thể tăng hiệu suất chiết xuất 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 chất tách chiết, sóng siêu âm công suất cao giúp đẩy nhanh quá trình hòa tan và làm cho các nguyên tố có giá trị trở nên dễ tiếp cận hơn. Các nghiên cứu về tro bay than đã chứng minh tiềm năng này: các nhà nghiên cứu báo cáo đạt hiệu suất chiết xuất yttrium lên đến 97%, trong khi một nghiên cứu khác về gallium và vanadium đã giảm thời gian chiết xuất bằng axit từ 180 phút xuống còn 20 phút.
Tro là nguồn tài nguyên thứ cấp cho các nguyên tố đất hiếm
Tro là một nguồn tài nguyên thứ cấp đầy tiềm năng đối với các nguyên tố đất hiếm (REE). Chất thải từ quá trình đốt than có thể chứa yttrium và các nguyên tố đất hiếm khác được sử dụng trong lĩnh vực điện tử, công nghệ năng lượng và vật liệu tiên tiến. Việc thu hồi các nguyên tố này từ các dòng tro và bãi chứa tro hiện có có thể giúp đa dạng hóa nguồn cung nguyên liệu thô và biến chất thải thành nguyên liệu đầu vào hữu ích.
Tiềm năng khai thác phụ thuộc vào cả nồng độ nguyên tố và khả năng tiếp cận. Tro có thể chứa các nguyên tố có giá trị, nhưng chỉ giải phóng được một phần hạn chế trong quá trình rửa trôi nếu ma trận khoáng chất xung quanh hạn chế sự tiếp cận của thuốc thử. Do đó, cần phải xem xét tổng thể thành phần của tro, quá trình tiền xử lý và hóa học của quá trình rửa trôi. Việc thu hồi nhiều nguyên tố có giá trị từ cùng một nguyên liệu thô cũng có thể nâng cao triển vọng của quy trình.
Quá trình chiết xuất bằng sóng siêu âm làm vỡ các hạt tro, giúp các nguyên tố đất hiếm có thể tiếp xúc với các chất chiết xuất. Bằng cách cải thiện quá trình truyền khối giữa các hạt và chất chiết xuất, việc sử dụng sóng siêu âm giúp tăng tỷ lệ thu hồi đồng thời rút ngắn thời gian xử lý!
Ứng dụng công nghiệp của các thiết bị siêu âm Hielscher: Hệ thống cụm thiết bị siêu âm công suất 48 kW dùng để chiết xuất các nguyên tố đất hiếm từ tro than theo phương pháp chiết xuất liên tục
Cách siêu âm giúp cải thiện quá trình chiết xuất tro
Siêu âm công suất cao làm tăng cường quá trình chiết xuất rắn–lỏng thông qua hiện tượng xâm thực âm thanh. Các bọt khí vi mô hình thành và vỡ ra trong chất lỏng, tạo ra lực cắt cục bộ, các tia nước siêu nhỏ và sự trộn lẫn mạnh mẽ. Những tác động này có thể phân tán các cụm hạt, làm sạch bề mặt tiếp xúc và cải thiện quá trình vận chuyển các chất chiết xuất đến các vị trí phản ứng. Các chất hòa tan được vận chuyển đi nhanh hơn, góp phần duy trì quá trình hòa tan.
Đối với quá trình xử lý tro, những tác động này mang lại một số lợi ích thực tiễn:
- Quá trình rửa trôi diễn ra nhanh hơn: Việc tăng cường quá trình truyền khối có thể rút ngắn thời gian cần thiết để chiết xuất các kim loại có thể tiếp cận được.
- Năng suất chiết xuất cao hơn: Việc cải thiện độ tiếp xúc bề mặt có thể giúp giải phóng các chất vẫn chưa được rửa trôi đầy đủ trong quá trình trộn thông thường.
- Kết hợp với quá trình tiền xử lý: Siêu âm có thể làm tăng cường giai đoạn rửa trôi sau khi quá trình kích hoạt đã giúp các pha khó hòa tan trở nên dễ tiếp cận hơn.
- Phát triển quy trình linh hoạt: Quá trình siêu âm có thể được điều chỉnh để phù hợp với các mức nồng độ axit, hàm lượng chất rắn, nhiệt độ và thời gian xử lý khác nhau.
Ví dụ nghiên cứu: Năng suất cao và thời gian rửa trôi ngắn hơn
Các nghiên cứu sau đây minh họa những ưu điểm này trong các điều kiện thí nghiệm cụ thể. Yttrium là một nguyên tố đất hiếm; gallium và vanadium là những kim loại quý giá khác. Việc chiết xuất các nguyên tố này cung cấp bằng chứng bổ sung cho quá trình xử lý tro bằng sóng siêu âm.
Yttrium và Vanadium: Tỷ lệ chiết xuất lên đến 97% và 100%
Masoum và các cộng sự (2021) đã nghiên cứu quá trình chiết xuất vanadi và yttri từ tro bay than bằng cách sử dụng axit sunfuric, hydro peroxit và sóng siêu âm. Các nhà nghiên cứu đã áp dụng phương pháp bề mặt đáp ứng để tối ưu hóa tỷ lệ rắn/lỏng cũng như tỷ lệ của axit sunfuric và hydro peroxide. Trong điều kiện tối ưu, hiệu suất chiết xuất đạt 100% đối với vanadi và 97% đối với yttri.
Mô hình lõi co lại đã được điều chỉnh cho thấy quá trình khuếch tán khối lượng là yếu tố chi phối tốc độ phản ứng. Phát hiện này nhấn mạnh tầm quan trọng của các quá trình vận chuyển trong hệ thống được nghiên cứu và ủng hộ việc tập trung vào quá trình truyền khối lượng trong quá trình tối ưu hóa quy trình. Các kết quả cho thấy có thể đạt được hiệu suất chiết xuất yttrium cao nhờ phương pháp xử lý kết hợp, mặc dù các hiệu suất được báo cáo phản ánh việc sử dụng hết lượng thuốc thử và hệ thống siêu âm.
Hình ảnh FESEM của tro than thô: (a) bên trái là trước khi tách chiết tro than, (b) sau khi tách chiết bằng sóng siêu âm.
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Masoum và cộng sự, 2021
Gali và Vanadi: Thời gian rửa trôi ngắn hơn 88,89%
Zhang và cộng sự (2026) đã nghiên cứu quá trình tách bằng axit siêu âm sau khi nung kích hoạt bằng natri cacbonat. Quy trình tiền xử lý được tối ưu hóa bao gồm quá trình nung ở 850°C trong 60 phút, với tỷ lệ khối lượng tro bay so với Na₂CO₃ là 2:1. Quá trình chiết xuất bằng axit siêu âm sau đó đã đạt được hiệu suất chiết xuất gallium và vanadium cao chỉ trong vòng 20 phút.
| Thông số | Quá trình chiết xuất bằng sóng siêu âm sau khi nung kích hoạt | Phương pháp tách chiết truyền thống |
|---|---|---|
| Thời gian rửa trôi | Hai mươi phút | 180 phút |
| Hiệu suất chiết xuất galli | 98,14% | 63,81% |
| Hiệu suất chiết xuất vanadi | 92,32% | 83,56% |
Việc rút ngắn thời gian từ 180 phút xuống còn 20 phút tương ứng với việc giai đoạn ngâm rửa được rút ngắn 88,89%. Phân tích động học cho thấy hằng số tốc độ tăng lên và cả quá trình chuyển khối lẫn phản ứng bề mặt đều được tăng cường. Những kết quả này chứng minh tiềm năng của việc kết hợp quá trình nung kích hoạt với ngâm rửa bằng sóng siêu âm. Việc tiết kiệm thời gian chỉ áp dụng cho quá trình chiết xuất; quá trình nung vẫn là một bước xử lý bổ sung.
Ultrasonically tăng cường lọc axit hoạt động với tốc độ nhanh hơn mười hai lần so với lọc axit thông thường, do tác động cơ học có lợi của bong bóng cavitation vỡ gần bề mặt. Hiện tượng này cải thiện việc trộn dung dịch axit, do đó tăng cường tính chất vận chuyển.
Hình ảnh và nghiên cứu: © Canciani et al., 2024
2 máy siêu âm công nghiệp UIP4000hdT dành cho các quy trình xử lý công suất cao
Phát triển quy trình chiết xuất bằng sóng siêu âm nhằm đạt hiệu suất thu hồi đất hiếm cao
Trong quá trình khai thác đất hiếm trên thực tế, sau khi thực hiện quá trình chiết xuất bằng dung dịch, người ta tiến hành tách và tinh chế các nguyên tố đã hòa tan. Do đó, hiệu suất chiết xuất cao là một kết quả trung gian quan trọng, chứ không phải là năng suất của sản phẩm đất hiếm thành phẩm. Việc đánh giá quy trình cần bao gồm các khâu thu hồi ở giai đoạn sau, lượng thuốc thử sử dụng và năng lượng cần thiết cho cả quá trình tiền xử lý và xử lý bằng sóng siêu âm.
Hielscher cung cấp các thiết bị siêu âm để bàn cấp công nghiệp và các lò phản ứng dòng chảy siêu âm công suất cao nhằm phát triển và triển khai các quy trình chiết xuất tăng cường. Việc lựa chọn thiết bị và tiến hành thử nghiệm có thể giúp xác định biên độ, nồng độ chất rắn, thời gian lưu và điều khiển nhiệt độ phù hợp cho một loại tro cụ thể.
Dễ dàng mở rộng quy mô lên sản lượng lớn: Sau khi xác định được các thông số cho quá trình thu hồi tối ưu, các thông số này có thể được mở rộng theo tỷ lệ tuyến tính để áp dụng cho bất kỳ khối lượng tách chiết thương mại nào.
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ tương hóa và khai thác trên phòng thí nghiệm, thí điểm và quy mô công nghiệp.
Hình ảnh SEM cho các hạt tại các thời điểm khác nhau của lọc thông thường (a-c) và siêu âm (d -f).
Hình ảnh và nghiên cứu: © Canciani et al., 2024
Các câu hỏi thường gặp
Siêu âm giúp cải thiện quá trình chiết xuất đất hiếm từ tro như thế nào?
Sóng siêu âm tạo ra hiện tượng xâm thực âm thanh trong hỗn hợp bùn tách chiết. Các bong bóng vỡ ra tạo ra sự trộn lẫn cục bộ mạnh mẽ, lực cắt và các tia nước siêu nhỏ, từ đó cải thiện sự tiếp xúc giữa các hạt tro và dung dịch tách chiết. Những tác động này làm lộ ra các bề mặt phản ứng và đẩy nhanh quá trình truyền khối, góp phần tăng hiệu suất chiết xuất và rút ngắn thời gian tách chiết.
Những nguyên tố đất hiếm và kim loại quý nào có thể được chiết xuất từ tro?
Tùy thuộc vào nguồn gốc và thành phần khoáng chất, tro than có thể được rửa để chiết xuất các nguyên tố đất hiếm, bao gồm lantan (La), xeri (Ce), neodym (Nd), dysprosium (Dy), yttrium (Y) và scandium (Sc). Tro bay than là một nguồn tiềm năng của các nguyên tố này.
Các kim loại quý khác bao gồm gali (Ga) và vanadi (V) trong tro than phù hợp, cũng như đồng (Cu) và kẽm (Zn) trong tro từ quá trình đốt rác thải đô thị.
Tại sao nên sử dụng máy siêu âm đầu dò công suất cao để chiết xuất tro?
Máy siêu âm dạng đầu dò truyền năng lượng siêu âm trực tiếp vào hỗn hợp bùn thông qua đầu dò siêu âm (sonotrode). Điều này cho phép xử lý mạnh mẽ các hỗn hợp rắn-lỏng và cung cấp các điều kiện xử lý có thể điều chỉnh. Thiết bị siêu âm công nghiệp của Hielscher hỗ trợ tích hợp vào các mạch chiết xuất, nơi việc kiểm soát lượng năng lượng đầu vào và hoạt động đáng tin cậy là yếu tố thiết yếu. Cấu hình hệ thống cần phù hợp với thành phần hỗn hợp bùn, hàm lượng chất rắn và công suất yêu cầu.
Dưới đây là một số ứng dụng của công nghệ chiết xuất Hielscher:
Các thiết bị siêu âm Hielscher có thể hoạt động liên tục không?
Đúng vậy. Các thiết bị siêu âm công nghiệp của Hielscher, chẳng hạn như UIP500hdT (500W) đến UIP16000hdT (16.000W), được thiết kế để hoạt động liên tục 24/7. Các thiết bị này có thể được cấu hình để xử lý theo mẻ, tuần hoàn hoặc xử lý liên tục thông qua buồng dòng siêu âm. Đối với quá trình chiết xuất tro, hệ thống được tích hợp vào quy trình bơm bùn, kiểm soát nhiệt độ và hóa chất chiết xuất đã chọn.
Liệu quá trình chiết xuất bằng sóng siêu âm có thể được mở rộng quy mô để áp dụng vào sản xuất công nghiệp hay không?
Đúng vậy, các thiết bị siêu âm Hielscher cho phép mở rộng quy mô một cách tuyến tính. Hielscher cung cấp thiết bị cho các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, quy trình thí điểm và sản xuất công nghiệp, bao gồm các bộ xử lý công suất 16 kW có thể được kết hợp thành cụm. Quá trình mở rộng quy mô bắt đầu bằng các thử nghiệm để xác định biên độ, công suất đầu vào, nhiệt độ và thời gian lưu thích hợp. Các kết quả này là cơ sở để lựa chọn công suất bình phản ứng và xác nhận hiệu suất chiết xuất ở công suất yêu cầu.
Siêu âm có thay thế cho việc sử dụng axit hay rang kích hoạt không?
Siêu âm giúp tăng cường quá trình chiết xuất, trong khi các chất hóa học cung cấp các phản ứng hóa học cần thiết để hòa tan các nguyên tố mục tiêu. Một số loại tro có thể cũng cần phải xử lý sơ bộ để các pha khoáng khó chiết xuất trở nên dễ tiếp cận hơn.
Có thể theo dõi những thông số quy trình nào?
Tất cả các thiết bị siêu âm Hielscher có công suất từ 200 watt trở lên đều hỗ trợ theo dõi và ghi lại tự động các thông số như biên độ, công suất, thời gian xử lý và nhiệt độ; đồng thời có thể đo áp suất thông qua một cảm biến tùy chọn. Những dữ liệu này giúp so sánh các thử nghiệm và tái tạo các điều kiện vận hành một cách đáng tin cậy. Hiệu suất chiết xuất các nguyên tố đất hiếm phải được xác định riêng biệt thông qua phân tích hóa học đối với nguyên liệu đầu vào, dung dịch chiết và chất rắn còn lại.
Có thể sử dụng thiết bị siêu âm với bùn tro có tính axit và tính mài mòn không?
Hielscher Ultrasonics cung cấp các giải pháp để xử lý bằng sóng siêu âm các hỗn hợp bùn tro có tính axit và tính mài mòn. Các bộ phận như sonotrode, buồng dòng chảy, vòng đệm và các bộ phận tiếp xúc với chất lỏng khác cần được lựa chọn dựa trên thành phần axit, nồng độ, nhiệt độ và mức độ mài mòn của hạt.
Hiệu suất rò rỉ cao hơn có đồng nghĩa với việc thu hồi đất hiếm cuối cùng cao hơn không?
Đúng vậy, hiệu suất rửa trôi cao hơn có nghĩa là có nhiều nguyên tố mục tiêu hơn được chuyển sang pha lỏng. Để sản xuất được sản phẩm đất hiếm có thể sử dụng được, còn cần phải tiến hành các công đoạn tách và tinh chế tiếp theo. Hiệu suất thu hồi tổng thể phụ thuộc vào hiệu suất của toàn bộ quy trình.
Làm thế nào để chọn máy siêu âm Hielscher phù hợp với quy trình của tôi?
Hãy bắt đầu với các mẫu tro đại diện và xác định các nguyên tố mục tiêu, nồng độ bùn, phản ứng hóa học trong quá trình chiết xuất, thể tích mẻ hoặc lưu lượng, cũng như hiệu suất chiết xuất mong muốn. Tại Hielscher, chúng tôi có thể hỗ trợ quý khách lựa chọn thiết bị cho các thử nghiệm khả thi và quá trình mở rộng quy mô tuyến tính sau đó. Trung tâm kỹ thuật và phòng thí nghiệm quy trình của chúng tôi cũng cung cấp các thử nghiệm để hỗ trợ việc lựa chọn thiết bị.
Văn học / 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.
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.