Ультразвуковая многоэлектродная электро-физическая ионизация для высокочистого извлечения благородных, базовых и редкоземельных металлов из техногенных хвостов Кыргызстана
Ключевые слова:
электро-физическая ионизация, ультразвуковая активация, промышленные отходы, извлечение металлов, редкоземельные элементы, оптимизация процесса, экологическая безопасностьАннотация
Предложена оригинальная, многокомпонентная технология экстракции благородных, базовых и редкоземельных элементов из техногенных отходов Кыргызстана, в основе которой — электро-физическая ионизация (ЭФИ), дополненная кавитационно-активируемым ультразвуком и реализованная в пространственно распределённой многоэлектродной схеме. Исследование преследовало двуединую цель: (i) сформулировать физико-химическое обоснование процессов, обеспечивающих предельную селективность и высокую энергетическую рентабельность, и одновременно (ii) смоделировать режимы, минимизирующие генерацию вторичных загрязнителей. В качестве исходного сырья анализировались хвосты обогатительных фабрик, металлургические шлаки и шламы, аккумулированные в ключевых горнопромышленных провинциях страны. Экспериментальная программа, построенная на методологии поверхности отклика, позволила «тонко подстроить» критические параметры: потенциал 6 – 12 В, межэлектродный зазор 1,0 – 1,5 см, молярность электролита 0,5 – 1 М, акустическая мощность < 300 Вт, продолжительность обработки 30 – 65 мин. Итог — рекордные коэффициенты извлечения: Cu — 96,8 %, Zn — 93,5 %, Ag — 92,1 %, Au — 88,5 %; для редкоземельных представителей La и Nd соответствующие значения достигли 79,7 % и 81,1 %. Чистота полученных осадков, верифицированная комплексом ICP-OES / SEM-EDX, превысила 99,8 ‰ (Cu) и 99,5 ‰ (Au, Ag). Синергия ультразвуковой кавитации и многоэлектродного поля снижает энергетический барьер электрохимических реакций, дезагрегирует твёрдую фазу, ускоряет массоперенос, а равномерное распределение тока препятствует пассивации анодов. Сопоставление с классическими гидро- и пирометаллургическими маршрутами выявило существенное (кратно-десятковое) сокращение энергопотребления при полном отказе от опасных реагентов. Разработанный подход не только открывает дорогу комплексной утилизации накопленных отходов, сокращая экологические риски, но и формирует альтернативную минерально-сырьевую базу критически значимых металлов, способную придать дополнительный импульс экономике Кыргызской Республики.
Библиографические ссылки
Khaliq, A., Rhamdhani, M. A., Brooks, G., & Masood, S. (2014). Metal Extraction Processes for Electronic Waste and Existing Industrial Routes: A Review and Australian Perspective. Resources, 3(1), 152-179. https://doi.org/10.3390/resources3010152
Rahmati, S., Adavodi, R., Hosseini, M. R., & Veglio’, F. (2024). Efficient Metal Extraction from Dilute Solutions: A Review of Novel Selective Separation Methods and Their Applications. Metals, 14(6), 605. https://doi.org/10.3390/met14060605
Rai, V., Liu, D., Xia, D., Jayaraman, Y., & Gabriel, J.-C. P. (2021). Electrochemical Approaches for the Recovery of Metals from Electronic Waste: A Critical Review. Recycling, 6(3), 53.https://doi.org/10.3390/recycling6030053
Samarjeet Singh Siwal, Harjot Kaur, Rongrong Deng, Qibo Zhang, A review on electrochemical techniques for metal recovery from waste resources, Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, Volume 39, 2023, 100722,ISSN 2452-2236, https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2022.100722.
Dierk Raabe. The Materials Science behind Sustainable Metals and Alloys. Chemical Reviews 2023 123 (5), 2436-2608 . DOI: 10.1021/acs.chemrev.2c00799
Renaud, K. M. (2025). The mineral industry of Kyrgyzstan in 2020–2021. In 2020–2021 Minerals Yearbook (Advance Release). U.S. Geological Survey, U.S. Department of the Interior. https://www.usgs.gov.
Liu, W., Ma, L., Li, Y., Abuduwaili, J., & Abdyzhapar uulu, S. (2020). Heavy Metals and Related Human Health Risk Assessment for River Waters in the Issyk−Kul Basin, Kyrgyzstan, Central Asia. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17(10), 3506. https://doi.org/10.3390/ijerph17103506
Erkinbaeva, N. A., & Shakirbaev, K. S. (2025). Study of rare-earth elements in brown coal from the southern region of Kyrgyzstan. Bulletin of Science and Practice, 11(6), 99–104. https://doi.org/10.33619/2414-2948/115/14
Precedence Research. (2025, June 12). Rare earth minerals market size, share and trends 2025 to 2034. Precedence Research. https://www.precedenceresearch.com/rare-earth-minerals-market
Boxall NJ, Adamek N, Cheng KY, Haque N, Bruckard W, Kaksonen AH. Multistage leaching of metals from spent lithium ion battery waste using electrochemically generated acidic lixiviant. Waste Manag. 2018 Apr;74:435-445. doi: 10.1016/j.wasman.2017.12.033. Epub 2018 Jan 6. PMID: 29317159.
Rama Rao, S., & Padmanabhan, G. (2012). Application of Taguchi methods and ANOVA in optimization of process parameters for metal removal rate in electrochemical machining of Al/5%SiC composites. International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA), 2(3), 192–197.
Peppicelli C, Cleall P, Sapsford D, Harbottle M. Changes in metal speciation and mobility during electrokinetic treatment of industrial wastes: Implications for remediation and resource recovery. Sci Total Environ. 2018 May 15;624:1488-1503. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.12.132. Epub 2017 Dec 27. PMID: 29929259.
Hu W, Cheng W-C, Wen S and Kang N (2022) Revealing underlying mechanisms affecting electrokinetic remediation of an artificially Cu- and Pb-contaminated loess using the external regulatory system with adsorbent. Front. Mater. 9:967871. doi: 10.3389/fmats.2022.967871
Kim WS, Kim SO, Kim KW. Enhanced electrokinetic extraction of heavy metals from soils assisted by ion exchange membranes. J Hazard Mater. 2005 Feb 14;118(1-3):93-102. doi:10.1016/j.jhazmat.2004.10.001. PMID: 15721533.
Chen, Q.-Y., Lu, R.-C., Zhu, Y.-C., & Wang, Y.-H. (2023). Metal Recovery and Electricity Generation from Wastewater Treatment: The State of the Art. Processes, 11(1), 88. https://doi.org/10.3390/pr11010088
Maarof, Hawaiah Imam, Daud, Wan Mohd Ashri Wan and Aroua, Mohamed Kheireddine. “Recent trends in removal and recovery of heavy metals from wastewater by electrochemical technologies” Reviews in Chemical Engineering, vol. 33, no. 4, 2017, pp. 359-386. https://doi.org/10.1515/revce-2016-0021
Hongliang Liu, Shixing Wang, Likang Fu, Gengwei Zhang, Yonggang Zuo, Libo Zhang, Mechanism and kinetics analysis of valuable metals leaching from copper-cadmium slag assisted by ultrasound cavitation, Journal of Cleaner Production, Volume 379, Part 2, 2022, 134775, ISSN 0959-6526, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.134775.
Yang L, Hu W, Chang Z, Liu T, Fang D, Shao P, Shi H, Luo X. Electrochemical recovery and high value-added reutilization of heavy metal ions from wastewater: Recent advances and future trends. Environ Int. 2021 Jul;152:106512. doi: 10.1016/j.envint.2021.106512. Epub 2021 Mar 21. PMID: 33756431.
Wu L, Garg S, Waite TD. Progress and challenges in the use of electrochemical oxidation and reduction processes for heavy metals removal and recovery from wastewaters. J Hazard Mater. 2024 Nov 5;479:135581. doi: 10.1016/j.jhazmat.2024.135581. Epub 2024 Aug 24. PMID: 39216250.
Ranjha, M. M. A. N., Kanwal, R., Shafique, B., Arshad, R. N., Irfan, S., Kieliszek, M., Kowalczewski, P. Ł., Irfan, M., Khalid, M. Z., Roobab, U., & Aadil, R. M. (2021). A Critical Review on Pulsed Electric Field: A Novel Technology for the Extraction of Phytoconstituents. Molecules, 26(16), 4893. https://doi.org/10.3390/molecules26164893
Fan R, Wang L, Fan J, Sun W and Dong H (2022) The Pulsed Electric Field Assisted-Extraction Enhanced the Yield and the Physicochemical Properties of Soluble Dietary Fiber From Orange Peel. Front. Nutr. 9:925642. doi: 10.3389/fnut.2022.925642
Bocker R, Silva EK. Pulsed electric field technology as a promising pre-treatment for enhancing orange agro-industrial waste biorefinery. RSC Adv. 2024 Jan 9;14(3):2116-2133.doi: 10.1039/d3ra07848e. PMID: 38196909; PMCID: PMC10775899.
Abdol Jani WNF, Suja’ F, Sayed Jamaludin SI, Mohamad NF, Abdul Rani NH. Optimization of Precious Metals Recovery from Electronic Waste by Chromobacterium violaceum Using Response Surface Methodology (RSM). Bioinorg Chem Appl. 2023 Mar 30;2023:4011670. doi:10.1155/2023/4011670. PMID: 37033717; PMCID: PMC10079379.
Intissar L, Zineelabidine B, Abdeljalil Z. Taguchi method optimization for efficient recovery of heavy metals from mining solid waste. Environ Geochem Health. 2025 Jun 3;47(7):246.doi: 10.1007/s10653-025-02557-y. PMID: 40459616.
Song Q, Liu Y, Zhang L, Xu Z. Selective electrochemical extraction of copper from multi-metale-waste leaching solution and its enhanced recovery mechanism. J Hazard Mater. 2021 Apr 5;407:124799. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.124799. Epub 2020 Dec 11. PMID: 33348202.
Qingming Song, Qinyi Xia, Xuehong Yuan, Zhenming Xu, Multi-metal electrochemical response mechanism for direct copper recovery from waste printed circuit boards via sulfate and chloride-system electrolysis, Resources, Conservation and Recycling, Volume 190, 2023,106804, ISSN 0921-3449, https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2022.106804.
Cacciuttolo C, Cano D, Custodio M. Socio-Environmental Risks Linked with Mine Tailings Chemical Composition: Promoting Responsible and Safe Mine Tailings Management Considering Copper and Gold Mining Experiences from Chile and Peru. Toxics. 2023 May 16;11(5):462. doi: 10.3390/toxics11050462. PMID: 37235276; PMCID: PMC10220784.
Ospanova, S., Kulakhmetova, A., Kaliyeva, G., & Mussabalina, D. (2020). Rational use of subsoil resources in Kazakhstan: Problems and solutions. E3S Web of Conferences, 175, 02009. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017502009
Araujo, F. S. M., Taborda-Llano, I., Nunes, E. B., & Santos, R. M. (2022). Recycling and Reuse of Mine Tailings: A Review of Advancements and Their Implications. Geosciences, 12(9), 319. https://doi.org/10.3390/geosciences12090319
Chowdhury, M. O. S., & Talan, D. (2025). From Waste to Wealth: A Circular Economy Approach to the Sustainable Recovery of Rare Earth Elements and Battery Metals from Mine Tailings. Separations, 12(2), 52. https://doi.org/10.3390/separations12020052
