الاستخلاص الصوتي-الكهربائي لاستخراج المعادن الصناعية

مع استمرار ارتفاع الطلب العالمي على النحاس والنيكل والكوبالت والزنك والفضة والذهب والمعادن النادرة والمواد ذات الصلة بالبطاريات، يتعرض منتجو المعادن لضغوط من أجل استخلاص المزيد من القيمة من الخامات والمركزات والمخلفات ومواد إعادة التدوير والمواد الخام منخفضة الجودة. في مجال التعدين الهيدروميتالورجي، يُعد الاستخلاص الكهربائي، المعروف أيضًا باسم الاستخلاص الكهربائي، أحد أكثر الطرق رسوخًا لاستخلاص المعادن: حيث يتم استخلاص أيونات المعادن المذابة من محلول الترشيح عن طريق تمرير تيار كهربائي، مما يؤدي إلى اختزال الأيونات وترسيب المعدن على الكاثود.

الاستخلاص الصوتي-الكهربائي لتحسين استخلاص المعادن بالطرق الهيدروميتالورجية

يعزز الاستخلاص الكهروصوتي هذا المبدأ من خلال الجمع بين الاستخلاص الكهربائي والموجات فوق الصوتية عالية الكثافة. والنتيجة هي عملية كهروصوتية يتفاعل فيها كل من التجويف الصوتي، والتدفق الدقيق، والاختزال الكهروكيميائي معًا. وبدلاً من الاعتماد فقط على الجهد الكهربائي ودوران الإلكتروليت التقليدي، يُحدث الاستخلاص الكهروصوتي خلطًا موضعيًّا مكثفًا مباشرةً عند واجهة القطب الكهربائي أو بالقرب منها، حيث يحدث ترسيب المعدن فعليًّا. وقد أُشير على نطاق واسع إلى أن الموجات فوق الصوتية تعزز نقل الكتلة، وتزعزع طبقة الانتشار، وتنظف أسطح الأقطاب الكهربائية، وتزيل فقاعات الغاز، وتدعم معدلات كهروكيميائية أعلى.

المجسات الصوتية الكهربائية: يعمل محولان للموجات فوق الصوتية على تحريك القطب الموجب والقطب السالب، على التوالي. وتعمل الأقطاب الصوتية أو المجسات الصوتية الكهربائية في آن واحد كأقطاب كهربائية ومجسات للموجات فوق الصوتية من أجل تحسين عملية الاستخلاص الكهربائي.

من الخام إلى الكاثود: كيف يعمل الترسيب الصوتي الكهربائي

عادةً ما يبدأ الاستخلاص الكهربائي الصناعي بعملية الترشيح. في هذه الخطوة الأولية، يتم إذابة المعدن المستهدف من الخام، أو المركز، أو بقايا المعالجة، أو الخبث، أو الكتلة السوداء، أو النفايات الإلكترونية، أو أي مادة خام معدنية أخرى، ليذوب في محلول مائي. اعتمادًا على التركيب الكيميائي للمعدن والخام، قد يكون مادة الترشيح حمضية، أو قلوية، أو قائمة على الكلوريد، أو قائمة على الكبريتات، أو قائمة على السيانيد، أو أمونيائية، أو قائمة على الأحماض العضوية، أو مصممة كيميائيًا بطريقة أخرى خصيصًا لإذابة الطور المعدني القيّم.
بعد عملية الترشيح، يتم عادةً تصفية محلول الترشيح الغني بالمعادن وتنقيته وتعديل قيم كل من الرقم الهيدروجيني، والموصلية، ودرجة الحرارة، وتركيز المعادن، وخصائص الشوائب. وفي خلية الاستخلاص الكهربائي، يتدفق هذا الإلكتروليت الحامل للمعادن بين الأنود والكاثود. وعند تمرير تيار كهربائي محكوم، تنتقل أيونات المعادن المذابة وتختزل على سطح الكاثود، حيث تشكل رواسب معدنية صلبة. وفي عملية الاستخلاص الكهربائي بالموجات فوق الصوتية، يتم إدخال الموجات فوق الصوتية إلى هذه البيئة الكهروكيميائية بحيث تعمل الطاقة الصوتية على تكثيف انتقال الأيونات وتجديد الطبقة الحدودية للأقطاب الكهربائية.

بعبارات بسيطة، فإن تسلسل العملية هو كما يلي:

• الترشيح: يتم إذابة المعادن الثمينة من الخام أو المواد الخام الثانوية لتتحول إلى محلول.
• تحضير المحلول: يتم تنقية محلول الترشيح أو تعديله لتحسين الانتقائية وسلوك الترسيب.
• الترسيب الصوتي-الكهروكيميائي: تعمل الموجات فوق الصوتية والتيار الكهربائي في آن واحد داخل خلية الاستخلاص الكهربائي.
• استرداد الكاثود: يتم استخراج الرواسب المعدنية على شكل صفائح أو مسحوق أو إسفنج أو رقائق معدنية أو أي أشكال أخرى من الرواسب، وذلك وفقًا لتصميم العملية.
• إعادة تدوير الإلكتروليت: يمكن إعادة توليد الإلكتروليت المستهلك أو إعادة تدويره أو إعادته إلى الدائرة الهيدروميتالورجية.

لماذا يُحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية عملية الاستخلاص الكهربائي؟

لا يقتصر العائق الرئيسي في العديد من أنظمة الاستخلاص الكهربائي على التفاعل الكهربائي بحد ذاته فحسب، بل يشمل أيضًا تزويد سطح الكاثود بأيونات معدنية جديدة، وإزالة نواتج التفاعل وفقاعات الغاز، والحفاظ على واجهة قطب كهربائي نشطة ونظيفة ومتجانسة. وتعالج الموجات فوق الصوتية هذه القيود بشكل مباشر.
عندما يدخل الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة إلى المحلول الكهربائي، فإنها تسبب ظاهرة التجويف الصوتي: حيث تتشكل فقاعات مجهرية، ثم تتذبذب، ثم تنهار. ويؤدي انهيار هذه الفقاعات إلى توليد نفاثات دقيقة، وموجات صدمية، وقص محلي شديد. وفي المعالجة في المرحلة السائلة، يمكن أن يؤدي ذلك إلى الخلط الموضعي، والخلط الدقيق، والتشتت، وتفكيك التكتلات، وتسريع النقل بين الأسطح.
تستند تقنية هيلشر للموجات فوق الصوتية والتقنية الصوتية-الكهربائية إلى التكهف الصوتي المتحكم فيه لمعالجة السوائل، حيث تولد الموجات فوق الصوتية حقول تكهف تنتج قوة القص، وموجات الصدمة، والنفاثات الدقيقة، ونقلًا قابلًا للتكرار للطاقة إلى السوائل والمعلقات والملاط.
في عملية الاستخلاص الكهربائي، تُعد هذه التأثيرات ذات قيمة خاصة لأن التفاعل الكهروكيميائي يحدث على السطح. يمكن للموجات فوق الصوتية أن تقلل من تدرجات التركيز بالقرب من القطب الكهربائي، وتضغط على طبقة الانتشار أو تعطلها، وتجلب أيونات معدنية جديدة باستمرار إلى الكاثود. تصف الأبحاث الحديثة حول النقل الكتلي الكهروكيميائي المعزز بالموجات فوق الصوتية تعزيز التيار من خلال ضغط طبقة الانتشار المدفوع بالتدفق الصوتي، بينما تشير الأبحاث حول الترسيب الكهربائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية إلى تحسن نقل الأيونات من خلال تأثيرات التجويف، والتدفق الدقيق، والضغط الصوتي.

التآزر: المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى جانب الكيمياء الكهربائية

لا تكمن ميزة الاستخلاص الصوتي-الكهربائي في مجرد أن الموجات فوق الصوتية “تحركات” الحل. تجمع مجسات «Hielscher Sono-Electro-Probes» بين المجسات فوق الصوتية والأقطاب الكهربائية، حيث تعمل في آن واحد على إدخال الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة والتيار الكهربائي إلى نظام كهروكيميائي. وبذلك، يكمن السر في الترابط التآزري بين مجالين للطاقة: حيث تعمل الطاقة الكهربائية على تحفيز تفاعل اختزال أيونات المعادن، بينما تعمل الطاقة الصوتية على تحسين الظروف الفيزيائية والسطحية التي يحدث فيها هذا التفاعل.
يمكن أن تؤدي هذه التآزر إلى تحقيق العديد من الفوائد ذات الأهمية الصناعية:

• نقل كتلة أعلى: تعمل المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تحسين تدفق أيونات المعادن المذابة إلى سطح الكاثود، مما يقلل من النضوب الموضعي.
• أسطح أقطاب كهربائية أنظف: يساعد التكهف والتدفق الصوتي على إزالة الأغشية المُخَمِّرة، والجسيمات غير الملتصقة بإحكام، وفقاعات الغاز، ونواتج التفاعل.
• إمكانية تحسين كفاءة التيار: يمكن أن تؤدي واجهة القطب الأكثر نشاطًا إلى تقليل الخسائر المرتبطة باستقطاب التركيز وانسداد السطح، على الرغم من أن الكفاءة النهائية تعتمد على التركيب الكيميائي للإلكتروليت ومعايير التشغيل.
• ترسيب أكثر اتساقًا: وقد ارتبط الترسيب الكهربائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية بتكوين رواسب أكثر نعومة وكثافة وتجانسًا، وببنى حبيبية أدق.
• حركيات الترسيب الكهربائي الأسرع: يمكن أن يؤدي تحسين نقل الكتلة وتنشيط السطح إلى تحقيق معدلات ترسيب أعلى في ظل الظروف المُحسَّنة.
• قيود الانتشار المحدود: من خلال إحداث اضطراب في الطبقة الحدودية عند القطب الكهربائي، يمكن للموجات فوق الصوتية أن تساعد في تحقيق ترسيب أكثر اتساقًا حتى عندما تكون تركيزات المعدن منخفضة نسبيًّا.
• تحسين التعامل مع الإلكتروليتات المعقدة: يمكن أن يساعد التقليب بالموجات فوق الصوتية في معالجة المعلقات والجسيمات الدقيقة وسوائل الترشيح الصعبة، وذلك من خلال تحسين التشتت والحد من الركود الموضعي.

وهذا ما يجعل الاستخلاص الصوتي-الكهربائي خيارًا جذابًا بشكل خاص لدورات المعالجة الهيدروميتالورجية التي يواجه فيها الاستخلاص الكهربائي التقليدي قيودًا بسبب بطء الحركية، أو سوء شكل الترسبات، أو استقطاب التركيز، أو تلوث الأقطاب الكهربائية، أو تغطية فقاعات الغاز، أو انخفاض تركيز أيونات المعدن.

معدلات الذوبان التقليدية مقابل معدلات الذوبان الكهروكيميائي الصوتي لأقطاب البلاتين.
الدراسة والرسوم البيانية: ©Vasile وآخرون، 2021

الفوائد الصناعية لاستخراج المعادن

فيما يتعلق بالاستخراج الصناعي للمعادن، تكمن قيمة الاستخلاص الصوتي-الكهربائي في تكثيف العملية. فمن الممكن استخلاص كمية أكبر من المعادن في وقت أقصر، مع تحسين شكل الترسبات وزيادة استقرار تشغيل الخلايا، شريطة أن تكون قوة المعالجة الصوتية، وهندسة الأقطاب الكهربائية، وتركيب الإلكتروليت، وكثافة التيار متوافقة بشكل صحيح.

من الناحية العملية، يدعم الاستخلاص الصوتي-الكهربائي ما يلي:

• استخلاص المواد من سوائل الترشيح منخفضة التركيز: يمكن أن يساعد تحسين نقل الكتلة في الحفاظ على عملية الترسيب عندما تكون تركيزات المعادن المذابة غير مثالية.
• تحسين جودة الكاثود: يمكن أن تؤدي الرواسب الأكثر نعومة وتجانسًا إلى تبسيط عمليات إزالة الطبقات الخارجية، والصهر، والتكرير، أو معالجة المساحيق في المراحل اللاحقة.
• انخفاض ميل التلوث: يمكن أن يقلل التجديد المستمر للسطح من تأثير التخميل والأغشية السطحية غير المرغوب فيها.
• تصميم عملية أكثر إيجازًا: قد تتيح الحركية الأسرع استخدام خلايا أصغر حجمًا أو تحقيق إنتاجية أعلى، اعتمادًا على الخصائص الكيميائية للعملية.
• الاستخراج المعزز من الموارد الثانوية: غالبًا ما تنتج الكتلة السوداء للبطاريات، والنفايات الإلكترونية، والمحفزات، والخبث، والمخلفات الصناعية محاليل ترشيح معقدة، حيث يكون تعزيز نقل الكتلة أمرًا ذا أهمية كبيرة.
• تحسين القدرة على التحكم في العمليات: يمكن دمج أنظمة الموجات فوق الصوتية الحديثة في أنظمة المعالجة الدفعية أو المستمرة المدمجة في خط الإنتاج، وضبطها من خلال السعة، ووقت البقاء، ومعدل التدفق، ودرجة الحرارة، ومدخلات الطاقة.

تتميز أنظمة «هيلشر» الصوتية-الكهربائية بطابعها الفريد: حيث يعمل القطب الصوتي-الكهربائي في آن واحد كمسبار بالموجات فوق الصوتية وكقطب كهربائي. وقد صُممت هذه الأنظمة الصوتية-الكهربائية لتلائم معالجة السوائل القابلة للتوسع، بدءًا من الاختبارات المختبرية وصولاً إلى التشغيل التجريبي والإنتاج الصناعي المدمج في خط الإنتاج. إن الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة، والقدرة على التشغيل المستمر على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، والمتانة الصناعية، وقلة الحاجة إلى الصيانة، كل ذلك يجعل أنظمة Hielscher الصوتية-الكهربائية مثالية للاستخلاص الصوتي-الكهربائي الصناعي.
يسهم التوسع الخطي من خلال المعلمات الخاضعة للتحكم — مثل السعة، والطاقة المدخلة، ومعدل التدفق، ودرجة الحرارة، ووقت البقاء — في زيادة الطاقات الإنتاجية بشكل كبير.

الاستخلاص الكهروصوتي في سلسلة عمليات الترشيح والاستخلاص الكهربائي

في محطة المعالجة الهيدروميتالورجية التقليدية، غالبًا ما يتم تنفيذ عملية الاستخلاص الكهربائي بعد عمليات الترشيح، والفصل بين المواد الصلبة والسائلة، والتنقية، وأحيانًا بعد الاستخلاص بالمذيبات أو التبادل الأيوني. ويمكن دمج عملية الاستخلاص الكهربائي بالموجات الصوتية في هذه الخطوة النهائية من عملية الاستخلاص لتكثيف تحويل أيونات المعادن المذابة إلى معدن صلب.

قد يبدو مسار العملية النموذجي كما يلي:

1. يتم ترشيح الخام المسحوق أو المركز أو المخلفات أو المواد الخام الثانوية من أجل إذابة المعدن المستهدف.
2. يتم إزالة أو تقليل الشوائب غير القابلة للذوبان، والمواد الصلبة المتبقية، والمراحل غير المرغوب فيها.
3. يتم تعديل التركيب الكيميائي لمحلول الليتش المشبع كيميائيًا من أجل الاستخلاص الكهربائي الانتقائي.
4. يتم تغذية الإلكتروليت إلى خلية استخلاص كهربائي مزودة بأقطاب كهربائية صوتية ونظام تدوير.
5. تعمل المعالجة بالموجات فوق الصوتية على تحسين نقل الأيونات وتجديد سطح القطب الكهربائي، بينما يؤدي التيار المطبق إلى ترسيب المعدن على الكاثود.
6. يتم استخلاص المنتج المعدني، ثم يتم إعادة تدوير الإلكتروليت أو إرساله إلى مرحلة معالجة إضافية.

ويكتسب هذا المزيج أهمية خاصة عندما يتعين على صناعة استخراج المعادن معالجة موارد أكثر تعقيدًا. فالعديد من المواد الخام المستقبلية تحتوي على درجات أقل من المعادن، أو شوائب أكثر، أو جزيئات أدق، أو تركيبات كيميائية مختلطة، أو تركيبات متغيرة. ويوفر الاستخلاص الصوتي-الكهربائي وسيلة لجعل خطوة الاستخلاص الكهروكيميائي أكثر متانة من خلال تحسين التفاعل بين الإلكتروليت وسطح القطب الكهربائي.

استخلاص المعادن بالطريقة الصوتية-الكهروكيميائية: عوائد أعلى بتكاليف معالجة أقل

يُعد الاستخلاص الكهربائي بالفعل حجر الزاوية في علم المعادن المائية، لأنه يتيح استخلاص المعادن من المحاليل المائية في شكل منتجات صلبة عالية القيمة. ويُحسّن الاستخلاص الكهربائي الصوتي عملية الاستخلاص الكهربائي التقليدية من خلال تحسين كفاءة الاستخلاص وكفاءة التيار واستهلاك الطاقة.
تعمل الآثار التآزرية للموجات فوق الصوتية عالية الطاقة والاستخلاص الكهربائي على التغلب على القيود الفيزيائية للواجهة الكهروكيميائية، وتدعم عملية استخلاص المعادن بشكل أكثر كثافةً وتحكمًا، وربما أكثر كفاءةً. وفيما يتعلق بعمليات التعدين وإعادة التدوير والمعادن، تساعد هذه التكنولوجيا في سد الفجوة بين المواد الخام التي تزداد تعقيدًا والحاجة إلى طرق استخلاص أنظف وأكثر انتقائية وذات إنتاجية أعلى.

الاستخلاص الصوتي-الكهربائي كأداة لتكثيف العمليات

سيتوقف مستقبل استخراج المعادن على استخلاص كميات أكبر من المعادن من موارد أكثر صعوبة. فخامات المعادن عالية الجودة آخذة في التناقص في العديد من المناطق، في حين أن الطلب على النحاس والنيكل والكوبالت والمعادن المرتبطة بالليثيوم والمعادن الثمينة والعناصر النادرة آخذ في الازدياد. وفي الوقت نفسه، توسع الصناعة نطاق تركيزها من الخامات الأولية إلى الموارد الثانوية مثل البطاريات المستهلكة وخردة الأجهزة الإلكترونية والمحفزات والمخلفات الصناعية ومياه المعالجة.
يُعد الاستخلاص الكهروصوتي استراتيجية مقنعة لتكثيف العمليات في هذا المجال. فمن خلال الجمع بين الانتقائية التي يتميز بها الاستخلاص الكهروكيميائي للمعادن وقوة التفاعل السطحي الناتجة عن التجويف بالموجات فوق الصوتية، يمكن لهذه التقنية تحسين نقل الكتلة ونشاط الأقطاب الكهربائية وشكل الترسبات ومتانة العملية. وبالنسبة للمشغلين الصناعيين، فإن هذا يعني مسارًا أكثر فعالية لتحويل أيونات المعادن المستخلصة إلى منتج معدني قابل للاسترداد.
باختصار، تعمل عملية الاستخلاص الكهروصوتي على تحويل سطح الكاثود إلى منطقة تفاعل أكثر ديناميكية. حيث يعمل التعرض للموجات الصوتية على إبقاء الواجهة الكهروكيميائية نشطة؛ بينما تعمل الكيمياء الكهربائية على تحويل الأيونات المذابة إلى معدن؛ ويشكل هذان العاملان معًا منصة قوية للاستخراج الهيدروميتالورجي الحديث.

المجسات الصوتية-الكهربائية عالية الأداء والمفاعلات الصوتية-الكهربائية

Hielscher الفوق صوتيات هو شريكك منذ فترة طويلة من ذوي الخبرة لأنظمة الموجات فوق الصوتية عالية الأداء. نقوم بتصنيع وتوزيع أحدث المجسات والمفاعلات بالموجات فوق الصوتية ، والتي تستخدم في جميع أنحاء العالم للتطبيقات الشاقة في البيئات الصعبة. للكيمياء الكهروضوئية سونو، وقد وضعت Hielscher تحقيقات الموجات فوق الصوتية الخاصة، والتي يمكن أن تكون بمثابة الكاثود و / أو الأنود، فضلا عن خلايا مفاعل بالموجات فوق الصوتية مناسبة للتفاعلات الكهروكيميائية. تتوفر الأقطاب الكهربائية والخلايا بالموجات فوق الصوتية للأنظمة الكلفانية / الفولتية وكذلك الأنظمة الإلكتروليتية.
 

اتصل بنا الآن وأخبرنا عن متطلبات العملية الكهروكيميائية الخاصة بك! سوف نوصيك بأنسب الأقطاب الكهربائية بالموجات فوق الصوتية وإعداد المفاعل!
 

الأدب / المراجع

• يوجينيو فاسيلي، أدريان تشيوكانيا، فيوريل إيونيسكو، إيوان ليباداتو، كورنيليا دياك، سيربان ن. ستاماتين (2021): جعل المعادن الثمينة رخيصة: طريقة التكهرب الكيميائي الصوتي – التجويف الهيدروديناميكي لإعادة تدوير معادن مجموعة البلاتين من المحفزات المستعملة في السيارات. مجلة «Ultrasonics Sonochemistry»، المجلد 72، 2021.
• شريف س. رشوان، إبراهيم دينسر، عاطف محني، برونو ج. بوليت (2019): عملية «سونو-هيدرو-جين» (إنتاج الهيدروجين بواسطة الموجات فوق الصوتية): التحديات والفرص. المجلة الدولية لطاقة الهيدروجين، المجلد 44، العدد 29، 2019، 14500-14526.
• يوردال ك.؛ كاراهان إ. هـ. (2017): دراسة بالقياس الجهدي الدوري لترسيب أغشية سبائك النحاس والزنك كهربائيًا: تأثير مدة التعرض للموجات فوق الصوتيةمجلة «أكتا فيزيكا بولونيكا»، المجلد 132، 2017. ص 1087-1090.
• ماسون، ت.؛ سايز برنال، ف. (2012): مقدمة في الكيمياء الكهروصوتية في: «الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة في الكيمياء الكهربائية: من أداة مختبرية متعددة الاستخدامات إلى حل هندسي»، الطبعة الأولى. تحرير: برونو ج. بوليت. 2012 جون وايلي & شركة سونز المحدودة
• هاس، إ.: أفكار أ. (2008): تخليق جسيمات نانوية من المغنيسيوم المعدني باستخدام الكيمياء الكهروصوتية. مجلة «Chemical Communications» 15(15)، 2008. 1795-1798.
• أشاسي-سورخابي، هـ.؛ باقري، ر. (2014): التوليف الصوتي-الكيميائي والكهروكيميائي لأغشية البوليبيرول على الفولاذ St-12 ودراسات التآكل والمورفولوجيا الخاصة بها. مجلة «التطورات في تكنولوجيا البوليمرات»، المجلد 33، العدد 3؛ 2014.
• التخليق الكهروكيميائي الصوتي يحسن الكفاءة في التصنيع الكيميائي