Leaching siêu âm kim loại quý

Siêu âm công suất là một kỹ thuật hiệu quả để chiết xuất các kim loại như kim loại quý và đất hiếm. Quá trình chiết xuất rắn-lỏng được hỗ trợ bằng siêu âm này được gọi là rửa trôi, phân lỏng hoặc rửa. Máy siêu âm công nghiệp mạnh mẽ có thể dễ dàng lắp đặt để rửa trôi đất hiếm từ quặng, để xử lý bùn khai thác để thu hồi hoàn toàn hơn hoặc để tách các kim loại có giá trị cao (ví dụ: Cu, Zn, Ni) khỏi các kim loại ít giá trị hơn.

Quá trình rửa trôi siêu âm thúc đẩy phản ứng bằng cách truyền khối lượng và hòa tan để thu được năng suất cao hơn trong thời gian chiết xuất ngắn hơn.
Những lợi ích chính của rửa trôi siêu âm là:

• Năng suất cao hơn
• rửa trôi hoàn chỉnh hơn
• Giảm tiêu thụ thuốc thử
• điều kiện nhẹ hơn
• Kiểm tra tính khả thi đơn giản
• Mở rộng quy mô tuyến tính
• Dễ dàng lắp đặt hệ thống siêu âm thương mại đầy đủ
• Máy siêu âm rất mạnh mẽ cho các luồng khối lượng lớn

Chiết xuất kim loại quý bằng siêu âm: Chiết xuất nhanh hơn thông qua hóa học cavitation

Phục hồi các kim loại quý như vàng, bạc, bạch kim, palladium và rhodium là nền tảng của ngành kim loại học hiện đại và tái chế. – Đặc biệt trong quá trình xử lý quặng, quặng tập trung và các nguồn tài nguyên thứ cấp như phế liệu điện tử và bộ chuyển đổi xúc tác. Mặc dù phương pháp chiết xuất truyền thống đã được áp dụng rộng rãi, nó thường bị hạn chế bởi tốc độ truyền khối chậm, hiện tượng thụ động hóa bề mặt, giải phóng không hoàn toàn các pha có giá trị và tiêu thụ hóa chất cao.
Phương pháp chiết xuất bằng sóng siêu âm giải quyết nhiều vấn đề này bằng cách đưa sóng siêu âm cường độ cao vào dung dịch chiết xuất, làm tăng đáng kể tốc độ phản ứng thông qua hiện tượng được gọi là cavitation âm thanh.

Cơ chế chính: Hiện tượng cavitation âm thanh

Khi sóng siêu âm công suất cao được truyền vào chất lỏng, nó tạo ra các bong bóng cavitation vi mô hình thành và sụp đổ nhanh chóng. Sự sụp đổ này tạo ra các điều kiện cực đoan cục bộ, bao gồm:

• Quá trình trộn vi mô mạnh mẽ và lực cắt
• Các tia phun vi mô tốc độ cao hướng vào bề mặt rắn
• Các điểm nóng cục bộ (nhiệt độ và áp suất cực cao trong vài microgiây)

Mặc dù các tác động này xảy ra ở quy mô vi mô, chúng có ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình rửa trôi vĩ mô bằng cách liên tục làm mới bề mặt phản ứng và tăng tốc quá trình vận chuyển các chất phản ứng đến và đi từ các hạt rắn.

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

Tại sao siêu âm cải thiện quá trình chiết xuất kim loại quý

Trong hầu hết các hệ thống chiết xuất, bước giới hạn tốc độ không phải là phản ứng hóa học chính nó, mà là quá trình vận chuyển các chất phản ứng qua các lớp biên, lỗ rỗng hoặc các lớp màng bề mặt làm giảm hoạt tính. Hiện tượng cavitation siêu âm cải thiện hiệu suất chiết xuất thông qua một số tác động tương hỗ:

1. Tăng cường truyền khối
   Siêu âm làm giảm độ dày của lớp khuếch tán tĩnh bao quanh các hạt rắn. Điều này cho phép các chất tẩy rửa (ví dụ: xyanua, thiosulfat, clorua, iodua, thiourea hoặc các hệ thống axit) tiếp cận bề mặt chứa kim loại nhanh hơn, đồng thời các phức hợp kim loại hòa tan được loại bỏ hiệu quả hơn.
2. Kích hoạt bề mặt hạt
   Các tia vi mô do hiện tượng cavitation và sóng xung kích liên tục làm mòn, làm sạch và làm nhám bề mặt các hạt. Điều này làm lộ ra các pha khoáng mới và tăng diện tích phản ứng hiệu quả. – đặc biệt quan trọng trong quặng chịu lửa hoặc hạt phủ.
3. Sự phá vỡ các lớp thụ động
   Nhiều khoáng vật chứa kim loại quý hình thành các lớp bề mặt trong quá trình chiết xuất (ví dụ: oxit, sunfat, lưu huỳnh nguyên tố hoặc màng silic). Siêu âm có thể phá vỡ vật lý các rào cản này, khôi phục khả năng tiếp cận của chất chiết xuất đến pha kim loại bên dưới.
4. Tăng cường khả năng thâm nhập vào vật liệu xốp
   Đối với các chất cô đặc, chất xúc tác và hạt chất thải điện tử, sóng siêu âm giúp đẩy chất lỏng vào các lỗ rỗng và vết nứt vi mô, từ đó cải thiện khả năng tiếp cận của chất phản ứng đến các kim loại quý bị nhúng bên trong.

Phân bố kích thước hạt sau khi siêu âm và lọc thông thường
Hình ảnh và nghiên cứu: © Canciani et al., 2024

Ứng dụng: Từ quặng đến khai thác đô thị

Phương pháp chiết xuất bằng sóng siêu âm đang được nghiên cứu ngày càng rộng rãi trên cả nguồn tài nguyên sơ cấp và thứ cấp:

• Vàng và Bạc
  Siêu âm công suất cao đã được chứng minh là có thể tăng tốc quá trình chiết xuất vàng trong xyanua và các chất chiết xuất thay thế bằng cách cải thiện quá trình vận chuyển và loại bỏ các tác động ức chế. Nó cũng có ứng dụng trong việc thu hồi bạc từ quặng và các chất thải công nghiệp.
• Kim loại nhóm bạch kim (PGMs)
  Phục hồi bạch kim, palladium và rhodium – đặc biệt từ các bộ chuyển đổi xúc tác đã qua sử dụng – Thường dựa vào các hệ thống chiết xuất dựa trên clorua hoặc axit. Siêu âm tăng cường động học hòa tan bằng cách tăng cường các phản ứng bề mặt và cải thiện quá trình phân hủy các ma trận gốm/kim loại phức tạp.
• Rác thải điện tử
  Bo mạch in và các linh kiện điện tử chứa các kim loại quý có giá trị nhưng lại tạo ra các rào cản khuếch tán mạnh do các polymer, oxit và cấu trúc đa vật liệu. Xử lý bằng sóng siêu âm cải thiện độ đồng đều của quá trình chiết xuất và có thể giảm thời gian chiết xuất cần thiết.

Lợi thế chính của quy trình

Từ góc độ kỹ thuật quá trình, quá trình chiết xuất bằng siêu âm mang lại nhiều lợi ích có thể đo lường được:

• Thời gian ngâm rửa ngắn hơn nhờ cơ chế động học được tăng tốc.
• Năng suất chiết xuất cao hơn do khả năng tiếp cận bề mặt được cải thiện.
• Giảm tiêu thụ hóa chất trong nhiều hệ thống (cần ít dung dịch rửa hơn)
• Cải thiện độ tái hiện thông qua việc phân tán và trộn đều hơn.
• Nhiệt độ hoạt động có thể thấp hơn do siêu âm bù đắp cho quá trình truyền nhiệt chậm hơn.

Các yếu tố cần xem xét trong quy trình và mở rộng quy mô

Sự thành công của quá trình chiết xuất bằng siêu âm phụ thuộc mạnh mẽ vào thiết kế quy trình. Các thông số quan trọng bao gồm:

• Mật độ công suất và biên độ của sóng siêu âm
• Nồng độ bùn và phân bố kích thước hạt
• Cấu trúc lò phản ứng và điều kiện dòng chảy
• Kiểm soát nhiệt độ
• Lựa chọn phương pháp tách chiết hóa học (axit, kiềm, clorua, v.v.)

Điều quan trọng là, việc triển khai quy mô công nghiệp đòi hỏi phải sử dụng các phản ứng siêu âm dạng đầu dò công suất cao, vì các thiết bị siêu âm dạng bể thường không cung cấp đủ năng lượng cho các hỗn hợp chiết xuất có độ đặc cao. Các tế bào siêu âm dòng chảy có thể được tích hợp vào các mạch chiết xuất liên tục, cho phép vận hành quy mô lớn. Các thiết bị siêu âm hiệu suất cao của Hielscher được thiết kế để xử lý khối lượng lớn trong điều kiện khắc nghiệt. – Tăng năng suất của các kim loại được chiết xuất đồng thời giảm thời gian xử lý và tác động đến môi trường.

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng Sản xuất tại Đức

Hielscher ultrasonicators nổi tiếng với chất lượng cao nhất và tiêu chuẩn thiết kế của họ. Mạnh mẽ và hoạt động dễ dàng cho phép tích hợp trơn tru của ultrasonicators của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi dễ dàng được xử lý bởi Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt nhấn mạnh vào ultrasonicators hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, Hielscher ultrasonicators là CE tuân thủ và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Văn học / Tài liệu tham khảo