Hòa tách kim loại quý bằng siêu âm

Siêu âm công suất là một kỹ thuật hiệu quả để chiết tách các kim loại như kim loại quý và đất hiếm. Quá trình chiết rắn–lỏng có hỗ trợ siêu âm này được gọi là hòa tách bằng siêu âm, hòa tách hoặc rửa. Các thiết bị siêu âm công nghiệp bền bỉ có thể được lắp đặt dễ dàng để hòa tách đất hiếm từ quặng, xử lý bùn khai khoáng nhằm thu hồi triệt để hơn hoặc tách các kim loại có giá trị cao (ví dụ: Cu, Zn, Ni) khỏi các kim loại có giá trị thấp hơn.

Hòa tách bằng siêu âm thúc đẩy phản ứng thông qua truyền khối và hòa tan, nhờ đó đạt hiệu suất thu hồi cao hơn trong thời gian chiết tách ngắn hơn.
Những lợi ích chính của hòa tách bằng siêu âm là:

• hiệu suất thu hồi cao hơn
• hòa tách triệt để hơn
• giảm mức tiêu thụ thuốc thử
• điều kiện ôn hòa hơn
• thử nghiệm tính khả thi đơn giản
• mở rộng quy mô tuyến tính
• dễ dàng lắp đặt các hệ thống siêu âm ở quy mô thương mại hoàn chỉnh
• thiết bị siêu âm rất bền bỉ dành cho các dòng có lưu lượng thể tích lớn

Hòa tách kim loại quý bằng siêu âm: Chiết tách nhanh hơn nhờ hóa học xâm thực

Thu hồi các kim loại quý như vàng, bạc, platin, paladi và rhodi là nền tảng của ngành luyện kim và tái chế hiện đại – đặc biệt trong xử lý quặng, tinh quặng và các nguồn tài nguyên thứ cấp như phế liệu điện tử và bộ chuyển đổi xúc tác. Mặc dù hòa tách thông thường đã được ứng dụng rộng rãi, phương pháp này thường bị hạn chế bởi tốc độ truyền khối chậm, sự thụ động hóa bề mặt, sự giải phóng không hoàn toàn các pha có giá trị và mức tiêu thụ thuốc thử cao.
Hòa tách bằng siêu âm giải quyết nhiều nút thắt này bằng cách đưa siêu âm cường độ cao vào bùn hòa tách, tăng cường mạnh mẽ động học phản ứng thông qua một hiện tượng được gọi là xâm thực âm.

Cơ chế cốt lõi: Xâm thực âm

Khi năng lượng siêu âm công suất cao được truyền vào chất lỏng, nó tạo ra các bọt xâm thực cực nhỏ hình thành và sụp đổ nhanh chóng. Sự sụp đổ này tạo ra các điều kiện cục bộ cực đoan, bao gồm:

• sự vi trộn mạnh và lực cắt lớn
• các vi tia tốc độ cao hướng vào bề mặt chất rắn
• các điểm nóng cục bộ (nhiệt độ và áp suất rất cao trong khoảng thời gian tính bằng microgiây)

Mặc dù các hiệu ứng này xảy ra ở quy mô vi mô, chúng tác động mạnh đến quá trình hòa tách ở quy mô vĩ mô bằng cách liên tục làm mới bề mặt phản ứng và đẩy nhanh sự vận chuyển thuốc thử đến và đi khỏi các hạt rắn.

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 và cộng sự, 2024

Vì sao siêu âm cải thiện quá trình hòa tách kim loại quý

Trong hầu hết các hệ thống hòa tách, bước giới hạn tốc độ không phải là bản thân phản ứng hóa học mà là sự vận chuyển các chất phản ứng qua các lớp biên, lỗ xốp hoặc màng thụ động hóa trên bề mặt. Xâm thực siêu âm cải thiện hiệu quả hòa tách thông qua một số hiệu ứng hiệp đồng:

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 tác nhân hòa tách (ví dụ: xyanua, thiosulfat, clorua, iodua, thiourea hoặc các hệ axit) tiếp cận bề mặt chứa kim loại nhanh hơn, đồng thời các phức kim loại đã hòa tan được đưa ra khỏi bề mặt hiệu quả hơn.
2. Hoạt hóa bề mặt hạt
   Các vi tia xâm thực và sóng xung kích liên tục bào mòn, làm sạch và làm nhám bề mặt hạt. Điều này làm lộ ra các pha khoáng mới và tăng diện tích phản ứng hữu hiệu – đặc biệt quan trọng đối với quặng khó xử lý hoặc các hạt có lớp phủ.
3. Phá vỡ các lớp thụ động hóa
   Nhiều khoáng vật chứa kim loại quý hình thành các lớp bề mặt trong quá trình hòa tách (ví dụ: oxit, sulfat, lưu huỳnh đơn chất hoặc màng silica). Siêu âm có thể phá vỡ các rào cản này bằng tác động vật lý, khôi phục khả năng tiếp cận của tác nhân hòa tách tới pha kim loại bên dưới.
4. Cải thiện khả năng thâm nhập vào chất rắn xốp
   Đối với tinh quặng, chất xúc tác và các hạt chất thải điện tử, siêu âm giúp đẩy chất lỏng vào các lỗ xốp và vi khe nứt, cải thiện khả năng tiếp cận của thuốc thử tới các kim loại quý nằm bên trong.

Phân bố kích thước hạt sau hòa tách bằng siêu âm và hòa tách thông thường
Hình ảnh và nghiên cứu: © Canciani và cộng sự, 2024

Ứng dụng: Từ quặng đến khai thác tài nguyên đô thị

Hòa tách bằng siêu âm ngày càng được nghiên cứu rộng rãi đối với cả nguồn tài nguyên sơ cấp và thứ cấp:

• Vàng và bạc
  Siêu âm công suất đã được chứng minh là đẩy nhanh quá trình hòa tách vàng trong xyanua và các tác nhân hòa tách thay thế nhờ cải thiện sự vận chuyển và loại bỏ các hiệu ứng thụ động hóa. Phương pháp này cũng phù hợp để thu hồi bạc từ quặng và cặn công nghiệp.
• Kim loại nhóm platin (PGMs)
  Việc thu hồi platin, paladi và rhodi – đặc biệt từ các bộ chuyển đổi xúc tác đã qua sử dụng – thường dựa vào các hệ hòa tách gốc clorua hoặc axit. Siêu âm tăng cường động học hòa tan bằng cách đẩy mạnh các phản ứng bề mặt và cải thiện sự phá vỡ các nền gốm/kim loại phức tạp.
• Phế liệu điện tử
  Bảng mạch in và linh kiện điện tử chứa các kim loại quý có giá trị nhưng tạo ra các rào cản khuếch tán lớn do polyme, oxit và cấu trúc đa vật liệu. Xử lý bằng siêu âm cải thiện tính đồng đều của quá trình hòa tách và có thể giảm thời gian hòa tách cần thiết.
• Đất hiếm từ tro than
  Tro than có thể chứa các kim loại có giá trị và đất hiếm, thường bị giữ trong các pha khoáng hoặc nền aluminosilicat dạng thủy tinh. Xử lý bằng siêu âm cải thiện sự tiếp xúc giữa các hạt tro và dung dịch hòa tách, nhờ đó có thể nâng cao hiệu suất chiết tách và rút ngắn thời gian hòa tách.
  Đọc thêm về hòa tách đất hiếm từ tro bằng siêu âm!

Các ưu điểm chính của quy trình

Từ góc độ kỹ thuật quá trình, hòa tách bằng siêu âm mang lại một số lợi ích có thể đo lường được:

• thời gian hòa tách ngắn hơn nhờ động học được tăng tốc
• hiệu suất chiết tách cao hơn nhờ cải thiện khả năng tiếp cận bề mặt
• mức tiêu thụ thuốc thử thấp hơn trong nhiều hệ thống (cần ít tác nhân hòa tách dư hơn)
• cải thiện độ tái lập nhờ phân tán và trộn tốt hơn
• có khả năng vận hành ở nhiệt độ thấp hơn vì siêu âm bù đắp cho động học nhiệt chậm hơn

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

Sự thành công của hòa tách bằng siêu âm phụ thuộc rất lớn vào thiết kế quy trình. Các thông số quan trọng bao gồm:

• mật độ công suất và biên độ siêu âm
• nồng độ bùn và phân bố kích thước hạt
• hình học thiết bị phản ứng và điều kiện dòng chảy
• kiểm soát nhiệt độ
• lựa chọn hệ hóa học hòa tách (axit, kiềm, clorua, v.v.)

Điều quan trọng là việc triển khai ở quy mô công nghiệp đòi hỏi các thiết bị phản ứng siêu âm công suất cao dạng đầu dò, vì bể siêu âm thường không truyền đủ năng lượng vào bùn hòa tách đậm đặc. Các buồng siêu âm dòng chảy có thể được tích hợp trực tiếp vào các hệ thống hòa tách liên tục, cho phép mở rộng quy mô vận hành. Các thiết bị siêu âm hiệu năng cao của Hielscher được chế tạo để xử lý thể tích lớn trong những điều kiện khắt khe – tăng hiệu suất thu hồi kim loại bằng hòa tách 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

Các thiết bị siêu âm của Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn chất lượng và thiết kế cao nhất. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm của Hielscher dễ dàng đáp ứng những điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu năng cao sử dụng công nghệ tiên tiến nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm của Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.