الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية لاستخراج المعادن صناعيًا

مع استمرار ارتفاع الطلب العالمي على النحاس والنيكل والكوبالت والزنك والفضة والذهب والمعادن النادرة والمواد ذات الصلة بالبطاريات، يواجه منتجو المعادن ضغوطًا لاسترداد قيمة أكبر من الخامات والمركزات ومخلفات التعدين وتيارات المواد المعاد تدويرها والمواد الأولية منخفضة العيار. وفي استخلاص المعادن بالطرق المائية، يُعد الاستخلاص الكهربائي أحد أكثر مسارات استرداد المعادن رسوخًا: إذ تُسترد أيونات المعادن الذائبة من محلول النض بتطبيق تيار كهربائي يختزل الأيونات ويرسّب المعدن على مهبط.

الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية لتحسين استرداد المعادن بالطرق المائية

يطوّر الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية هذا المبدأ من خلال الجمع بين الاستخلاص الكهربائي والموجات فوق الصوتية عالية الشدة. والنتيجة هي عملية كهروكيميائية مدعومة بالموجات فوق الصوتية يعمل فيها التجويف الصوتي والجريان الدقيق والاختزال الكهروكيميائي معًا. وبدلًا من الاعتماد فقط على الجهد الكهربائي والتدوير التقليدي للإلكتروليت، تُحدث هذه العملية خلطًا موضعيًا مكثفًا مباشرة عند السطح البيني للقطب أو بالقرب منه، حيث يحدث ترسيب المعدن فعليًا. وتشير تقارير عديدة إلى أن الموجات فوق الصوتية تعزز انتقال الكتلة، وتخلخل طبقة الانتشار، وتنظف أسطح الأقطاب، وتزيل فقاعات الغاز، وتدعم معدلات أعلى للعمليات الكهروكيميائية.

المسابير الكهروصوتية: يُحرّك 2 من محوّلات الطاقة فوق الصوتية المصعد والمهبط، على التوالي. وتعمل الأقطاب الكهروصوتية أو المسابير الكهروصوتية في الوقت نفسه كأقطاب ومسابير للموجات فوق الصوتية لتحسين الاستخلاص الكهربائي.

من الخام إلى المهبط: كيف يعمل الترسيب الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية

يبدأ الاستخلاص الكهربائي الصناعي عادةً بالنض. وفي هذه الخطوة السابقة، يُذاب المعدن المستهدف من خام أو مركز أو بقايا عملية أو خبث أو كتلة سوداء أو نفايات إلكترونية أو غيرها من المواد الأولية للصناعات المعدنية في محلول مائي. وتبعًا لكيمياء المعدن والخام، قد يكون عامل النض حمضيًا أو قلويًا أو قائمًا على الكلوريد أو الكبريتات أو السيانيد أو الأمونيا أو الأحماض العضوية، أو مهيّأً كيميائيًا بطريقة أخرى لإذابة الطور المعدني ذي القيمة.
بعد النض، يُروّق محلول النض الغني بالمعدن عادةً ويُنقّى، وتُضبط قيمة pH والموصلية ودرجة الحرارة وتركيز المعدن وتركيبة الشوائب فيه. وفي خلية الاستخلاص الكهربائي، يتدفق هذا الإلكتروليت الحامل للمعدن بين مصعد ومهبط. وعند تطبيق تيار مضبوط، تنتقل أيونات المعدن الذائبة وتُختزل عند سطح المهبط، حيث تكوّن راسبًا معدنيًا صلبًا. وفي الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية، تُدخل الموجات فوق الصوتية إلى هذه البيئة الكهروكيميائية بحيث تكثّف الطاقة الصوتية انتقال الأيونات وتجديد الطبقة الحدية للقطب.

وبعبارة بسيطة، يكون تسلسل العملية كما يلي:

• النض: تُذاب المعادن ذات القيمة من الخام أو المواد الخام الثانوية في محلول.
• تهيئة المحلول: يُنقّى سائل النض أو تُضبط خصائصه لتحسين الانتقائية وسلوك الترسيب.
• الترسيب الكهروكيميائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية: تعمل الموجات فوق الصوتية والتيار الكهربائي في الوقت نفسه داخل خلية الاستخلاص الكهربائي.
• استرداد رواسب المهبط: تُجمع الرواسب المعدنية على هيئة صفائح أو مسحوق أو إسفنج أو رقائق أو أشكال أخرى من الرواسب تبعًا لتصميم العملية.
• إعادة تدوير الإلكتروليت: يمكن تجديد الإلكتروليت المستنفد أو إعادة تدويره أو إعادته إلى دائرة استخلاص المعادن بالطرق المائية.

لماذا تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية الاستخلاص الكهربائي

لا يقتصر عنق الزجاجة الرئيسي في العديد من أنظمة الاستخلاص الكهربائي على التفاعل الكهربائي نفسه. بل يتمثل أيضًا في إمداد سطح المهبط بأيونات معدنية جديدة، وإزالة نواتج التفاعل وفقاعات الغاز، والحفاظ على سطح بيني للقطب يتسم بالنشاط والنظافة والتجانس. وتعالج الموجات فوق الصوتية هذه القيود مباشرةً.
عندما تدخل الموجات فوق الصوتية عالية القدرة إلى الإلكتروليت، فإنها تُحدث تجويفًا صوتيًا: تتكوّن فقاعات مجهرية وتتذبذب ثم تنهار. وتولّد هذه الانهيارات نفاثات دقيقة وموجات صدمية وقصًا موضعيًا شديدًا. وفي معالجة الطور السائل، يمكن أن يؤدي ذلك إلى خلط موضعي وخلط دقيق وتشتيت وتفكيك التكتلات وتسريع الانتقال عبر الأسطح البينية.
تتمحور تقنية Hielscher للموجات فوق الصوتية والتقنية الكهروصوتية حول التجويف الصوتي المضبوط لمعالجة السوائل، حيث تولّد الموجات فوق الصوتية حقول تجويف تُحدث قصًا وموجات صدمية ونفاثات دقيقة ونقلًا للطاقة قابلًا للتكرار إلى الموائع والمعلّقات والمعلّقات الكثيفة.
وفي الاستخلاص الكهربائي، تكون هذه التأثيرات ذات قيمة خاصة لأن التفاعل الكهروكيميائي يحدث عند سطح. ويمكن للموجات فوق الصوتية تقليل تدرجات التركيز بالقرب من القطب، وضغط طبقة الانتشار أو تفكيكها، وإيصال أيونات معدنية جديدة باستمرار إلى المهبط. وتصف أعمال حديثة حول انتقال الكتلة الكهروكيميائي المعزَّز بالموجات فوق الصوتية زيادة التيار من خلال ضغط طبقة الانتشار بفعل الجريان الصوتي، بينما تشير أبحاث الترسيب الكهربائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية إلى تحسّن انتقال الأيونات بفعل التجويف والجريان الدقيق وتأثيرات الضغط الصوتي.

التآزر: المعالجة بالموجات فوق الصوتية مع الكيمياء الكهربائية

لا تقتصر ميزة الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية على أن الموجات فوق الصوتية «تحرّك» المحلول. تجمع Hielscher Sono-Electro-Probes بين مسابير الموجات فوق الصوتية والأقطاب التي تُدخل في الوقت نفسه موجات فوق صوتية عالية الشدة وتيارًا كهربائيًا إلى نظام كهروكيميائي. ويتمثل العنصر الأساسي هنا في الاقتران التآزري بين مجالَي طاقة: تدفع الطاقة الكهربائية تفاعل اختزال أيونات المعدن، بينما تحسّن الطاقة الصوتية الظروف الفيزيائية والبينية التي يحدث فيها ذلك التفاعل.
ويمكن لهذا التآزر أن يحقق عدة فوائد ذات صلة بالتطبيقات الصناعية:

• انتقال أعلى للكتلة: تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية إمداد سطح المهبط بأيونات المعادن الذائبة، مما يقلل الاستنفاد الموضعي.
• أسطح أقطاب أنظف: يساعد التجويف والجريان الصوتي على إزالة الأغشية المسببة للتخميل والجسيمات ضعيفة الالتصاق وفقاعات الغاز ونواتج التفاعل.
• إمكانية تحسين كفاءة التيار: يمكن لسطح بيني أكثر نشاطًا للقطب أن يقلل الفواقد المرتبطة باستقطاب التركيز وانسداد السطح، رغم أن الكفاءة النهائية تعتمد على كيمياء الإلكتروليت ومعلمات التشغيل.
• ترسيب أكثر تجانسًا: ارتبط الترسيب الكهربائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية برواسب أكثر نعومة وكثافة وتجانسًا وبُنى ذات حبيبات أدق.
• حركية أسرع للترسيب الكهربائي: يمكن لتعزيز انتقال الكتلة وتنشيط السطح أن يتيحا معدلات ترسيب أعلى في ظل ظروف محسّنة.
• تقليل قيود الانتشار: من خلال خلخلة الطبقة الحدية عند القطب، يمكن للموجات فوق الصوتية دعم ترسيب أكثر اتساقًا حتى عندما تكون تراكيز المعادن منخفضة نسبيًا.
• تعامل أفضل مع الإلكتروليتات المعقدة: يمكن للتحريك بالموجات فوق الصوتية دعم معالجة المعلّقات والجسيمات الدقيقة وسوائل النض الصعبة من خلال تحسين التشتيت وتقليل الركود الموضعي.

وهذا يجعل الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية جذابًا بوجه خاص لدوائر استخلاص المعادن بالطرق المائية التي يكون فيها الاستخلاص الكهربائي التقليدي مقيدًا ببطء الحركية أو سوء مورفولوجيا الرواسب أو استقطاب التركيز أو تلوث الأقطاب بالترسبات أو تغطيتها بفقاعات الغاز أو انخفاض تركيز أيونات المعادن.

معدلات ذوبان أقطاب Pt بالطريقة التقليدية مقارنةً بالطريقة الكهروكيميائية المدعومة بالموجات فوق الصوتية.
الدراسة والرسوم البيانية: ©Vasile et al., 2021

الفوائد الصناعية لاستخراج المعادن

في استخراج المعادن صناعيًا، تكمن قيمة الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية في تكثيف العملية. فمن الممكن استرداد كمية أكبر من المعدن في وقت أقصر، مع تحسين مورفولوجيا الرواسب وزيادة استقرار تشغيل الخلية، شريطة المواءمة السليمة بين قدرة المعالجة بالموجات فوق الصوتية وهندسة الأقطاب وتركيب الإلكتروليت وكثافة التيار.

ومن الناحية العملية، يدعم الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية ما يلي:

• الاسترداد من سوائل النض منخفضة العيار: يمكن لتحسين انتقال الكتلة أن يساعد على استمرار الترسيب عندما لا تكون تراكيز المعادن الذائبة مثالية.
• تحسين جودة المهبط: يمكن للرواسب الأكثر نعومة وتجانسًا أن تبسّط عمليات فصل الرواسب عن المهبط أو الصهر أو التنقية أو مناولة المساحيق في المراحل اللاحقة.
• ميل أقل إلى التلوث بالترسبات: يمكن للتجديد المستمر للسطح أن يقلل تأثير التخميل والأغشية السطحية غير المرغوب فيها.
• تصميم أكثر إحكامًا للعملية: قد تتيح الحركية الأسرع استخدام خلايا أصغر أو زيادة معدل المعالجة، تبعًا لكيمياء العملية.
• تعزيز الاسترداد من الموارد الثانوية: غالبًا ما تولّد الكتلة السوداء للبطاريات والنفايات الإلكترونية والمحفزات والخبث والبقايا الصناعية محاليل نض معقدة يكون فيها تكثيف انتقال الكتلة ذا قيمة.
• تحسين قابلية التحكم في العملية: يمكن دمج أنظمة الموجات فوق الصوتية الحديثة في منظومات تعمل على دفعات أو بصورة مستمرة ضمن خط المعالجة، وضبطها من خلال السعة وزمن المكوث ومعدل التدفق ودرجة الحرارة والطاقة المدخلة.

تتميز أنظمة Hielscher الكهروصوتية بأنها فريدة: يعمل القطب الكهروصوتي في الوقت نفسه كمسبار للموجات فوق الصوتية وقطب كهربائي. وصُمّمت المنظومات الكهروصوتية لمعالجة السوائل على نطاق قابل للتوسيع، بدءًا من الاختبارات المختبرية وصولًا إلى التشغيل التجريبي والإنتاج الصناعي ضمن خط المعالجة. وتجعل الموجات فوق الصوتية عالية القدرة، وإمكانية التشغيل المستمر 24/7، والمتانة الملائمة للاستخدام الصناعي، وانخفاض متطلبات الصيانة، أنظمة Hielscher الكهروصوتية مثالية للاستخلاص الكهربائي الصناعي المدعوم بالموجات فوق الصوتية.
ويُيسّر التوسيع الخطي للنطاق، من خلال معلمات مضبوطة مثل السعة والطاقة المدخلة ومعدل التدفق ودرجة الحرارة وزمن المكوث، زيادة القدرات الإنتاجية بدرجة كبيرة.

الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية في سلسلة النض–الاستخلاص الكهربائي

في منشأة تقليدية لاستخلاص المعادن بالطرق المائية، يأتي الاستخلاص الكهربائي غالبًا بعد النض وفصل المواد الصلبة عن السائل والتنقية، وأحيانًا الاستخلاص بالمذيبات أو التبادل الأيوني. ويمكن دمج الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية في خطوة الاسترداد اللاحقة هذه لتكثيف تحويل أيونات المعادن الذائبة إلى معدن صلب.

وقد يبدو مسار العملية النموذجي كما يلي:

1. يُخضع الخام المسحوق أو المركز أو مخلفات التعدين أو المواد الخام الثانوية للنض لإذابة المعدن المستهدف.
2. تُزال معادن الشوائب غير القابلة للذوبان والمواد الصلبة المتبقية والأطوار غير المرغوب فيها، أو تُقلَّل كمياتها.
3. تُضبط الخصائص الكيميائية لمحلول النض الغني بالمعدن من أجل الاستخلاص الكهربائي الانتقائي.
4. يُغذّى الإلكتروليت إلى خلية استخلاص كهربائي مجهزة بأقطاب كهروصوتية ونظام تدوير.
5. تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية انتقال الأيونات وتجديد سطح القطب، بينما يرسّب التيار المطبَّق المعدن على المهبط.
6. يُجمع المنتج المعدني، ويُعاد تدوير الإلكتروليت أو يُرسل إلى معالجة إضافية.

يكتسب هذا الجمع أهمية خاصة حيث تحتاج صناعة استخراج المعادن إلى معالجة موارد أكثر صعوبة. فكثير من المواد الأولية المستقبلية يحتوي على عيارات معدنية أقل وشوائب أكثر وجسيمات أدق وتركيبات كيميائية مختلطة أو تركيب متغير. ويوفر الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية مسارًا لجعل خطوة الاسترداد الكهروكيميائي أكثر متانة من خلال تحسين التفاعل بين الإلكتروليت وسطح القطب.

استرداد المعادن كهروكيميائيًا بمساعدة الموجات فوق الصوتية: مردود أعلى بتكاليف أقل للعملية

يُعد الاستخلاص الكهربائي بالفعل ركيزة أساسية لاستخلاص المعادن بالطرق المائية، لأنه يستطيع استرداد المعادن من المحاليل المائية على هيئة منتجات صلبة عالية القيمة. ويحسّن الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية الاستخلاص الكهربائي التقليدي من خلال تحسين كفاءة الاسترداد وكفاءة التيار واستهلاك الطاقة.
وتعالج التأثيرات التآزرية للموجات فوق الصوتية عالية القدرة والاستخلاص الكهربائي القيود الفيزيائية للسطح البيني الكهروكيميائي، وتدعم استردادًا للمعادن أكثر تكثيفًا وتحكمًا وربما أعلى كفاءة. وفي عمليات التعدين وإعادة التدوير والصناعات المعدنية، تساعد هذه التقنية على سد الفجوة بين المواد الأولية المتزايدة التعقيد والحاجة إلى مسارات استخراج أنظف وأكثر انتقائية وأعلى معدلًا للمعالجة.

الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية كأداة لتكثيف العمليات

سيعتمد مستقبل استخراج المعادن على استرداد كمية أكبر من المعادن من موارد أشد صعوبة. فالخامات عالية العيار تتناقص في مناطق كثيرة، بينما يتزايد الطلب على النحاس والنيكل والكوبالت والمعادن المرتبطة بالليثيوم والمعادن الثمينة والعناصر النادرة. وفي الوقت نفسه، توسّع الصناعة نطاق تركيزها من الخامات الأولية إلى الموارد الثانوية، مثل البطاريات المستهلكة والخردة الإلكترونية والمحفزات والبقايا الصناعية ومياه العمليات.
ويوفر الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية استراتيجية جذابة لتكثيف العمليات في هذا المشهد. فمن خلال الجمع بين انتقائية الاسترداد الكهروكيميائي للمعادن وقوة التجويف بالموجات فوق الصوتية عند الأسطح البينية، يمكنه تحسين انتقال الكتلة ونشاط الأقطاب ومورفولوجيا الرواسب ومتانة العملية. وبالنسبة إلى المشغّلين الصناعيين، يعني ذلك مسارًا أقوى من أيونات المعادن المذابة بالنض إلى منتج معدني قابل للاسترداد.
وباختصار، يحوّل الاستخلاص الكهربائي المدعوم بالموجات فوق الصوتية سطح المهبط إلى منطقة تفاعل أكثر ديناميكية. فالمعالجة بالموجات فوق الصوتية تُبقي السطح البيني الكهروكيميائي نشطًا؛ والكيمياء الكهربائية تحوّل الأيونات الذائبة إلى معدن؛ ومعًا يشكّلان منصة قوية لاستخراج المعادن الحديث بالطرق المائية.

Sono-Electro-Probes وSonoElectroReactors عالية الأداء

Hielscher Ultrasonics هي شريككم ذو الخبرة الطويلة في أنظمة الموجات فوق الصوتية عالية الأداء. نحن نصنّع ونوزّع مسابير ومفاعلات متطورة للموجات فوق الصوتية تُستخدم في جميع أنحاء العالم للتطبيقات الشاقة في البيئات ذات المتطلبات الصعبة. وللكيمياء الكهربائية المدعومة بالموجات فوق الصوتية، طوّرت Hielscher مسابير خاصة للموجات فوق الصوتية يمكن أن تعمل كمهبط و/أو مصعد، إلى جانب خلايا مفاعلات بالموجات فوق الصوتية مناسبة للتفاعلات الكهروكيميائية. وتتوفر أقطاب وخلايا بالموجات فوق الصوتية للأنظمة الجلفانية / الفولتية وكذلك لأنظمة التحليل الكهربائي.
 

اتصلوا بنا الآن وأطلعونا على متطلبات عمليتكم الكهروكيميائية! سنوصي لكم بأقطاب الموجات فوق الصوتية ومنظومة المفاعل الأكثر ملاءمة!
 

المصادر / المراجع

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Making precious metals cheap: A sonoelectrochemical – Hydrodynamic cavitation method to recycle platinum group metals from spent automotive catalysts. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): The Sono-Hydro-Gen process (Ultrasound induced hydrogen production): Challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 29, 2019, 14500-14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): A Cyclic Voltammetry Study on Electrodeposition of Cu-Zn Alloy Films: Effect of Ultrasonication Time. Acta Physica Polonica Vol 132, 2017. 1087-1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): An Introduction to Sonoelectrochemistry In: Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution, First Edition. Edited by Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, Ltd.
• Haas, I.: Gedanken A. (2008): Synthesis of metallic magnesium nanoparticles by sonoelectrochemistry. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795-1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri R. (2014): Sonoelectrochemical and Electrochemical Synthesis of Polypyrrole Films on St-12 Steel and Their Corrosion and Morphological Studies. Advances in Polymer Technology Vol. 33, Issue 3; 2014.
• Sono-Electrochemical Synthesis Improves Efficiency in Chemical Manufacturing