Sənayedə metalların çıxarılması üçün sono-elektroekstraksiya

Mis, nikel, kobalt, sink, gümüş, qızıl, nadir metallar və batareyalar üçün əhəmiyyətli materiallara qlobal tələbat artmaqda davam etdikcə, metal istehsalçıları filizlərdən, konsentratlardan, zənginləşdirmə tullantılarından, təkrar emal axınlarından və metal tərkibi aşağı olan xammaldan daha çox dəyər əldə etmək təzyiqi ilə üzləşirlər. Hidrometallurgiyada metalların əldə edilməsinin ən geniş tətbiq olunan yollarından biri elektroekstraksiya kimi də tanınan elektrolitik metal çıxarılmasıdır: həll olmuş metal ionları elektrik cərəyanı tətbiq etməklə yuyub həll etmə məhlulundan çıxarılır; cərəyan ionları reduksiya edir və metalı katod üzərinə çökdürür.

Hidrometallurgiyada metalların əldə edilməsini yaxşılaşdıran sono-elektroekstraksiya

Sono-elektroekstraksiya elektroekstraksiyanı yüksək intensivlikli ultrasəslə birləşdirərək bu prinsipi inkişaf etdirir. Nəticədə akustik kavitasiyanın, mikroaxınların və elektrokimyəvi reduksiyanın birgə təsir göstərdiyi sonoelektrokimyəvi proses yaranır. Yalnız elektrik potensialına və ənənəvi elektrolit dövriyyəsinə əsaslanmaq əvəzinə, sono-elektroekstraksiya metalın faktiki çökdüyü elektrodun fazalararası sərhədində və ya onun yaxınlığında birbaşa intensiv yerli qarışdırma yaradır. Ultrasəsin kütlə daşınmasını gücləndirdiyi, diffuziya qatını pozduğu, elektrod səthlərini təmizlədiyi, qaz qabarcıqlarını uzaqlaşdırdığı və daha yüksək elektrokimyəvi reaksiya sürətlərinə şərait yaratdığı geniş şəkildə bildirilir.

Sono-elektrozondlar: 2 ultrasəs çeviricisi müvafiq olaraq anodu və katodu titrədir. Sono-elektrodlar və ya sono-elektrozondlar elektroekstraksiyanı yaxşılaşdırmaq üçün eyni vaxtda həm elektrod, həm də ultrasəs zondu kimi fəaliyyət göstərir.

Filizdən katoda: sono-elektroçökmə necə işləyir

Sənaye elektroekstraksiyası adətən yuyub həll etmə ilə başlayır. Bu ilkin mərhələdə hədəf metal filizdən, konsentratdan, proses qalığından, şlakdan, qara kütlədən, elektron tullantılardan və ya digər metallurgiya xammalından sulu məhlula həll edilir. Metalın və filizin kimyəvi xüsusiyyətlərindən asılı olaraq, yuyub həll edən reagent turş, qələvi, xlorid əsaslı, sulfat əsaslı, sianid əsaslı, ammonyaklı, üzvi turşu əsaslı ola bilər və ya qiymətli metal fazasını həll etmək üçün başqa şəkildə kimyəvi olaraq uyğunlaşdırıla bilər.
Yuyub həll etmədən sonra metal ilə zənginləşmiş məhlul adətən duruldulur, təmizlənir və onun pH-ı, elektrik keçiriciliyi, temperaturu, metal konsentrasiyası və qarışıqların tərkibi tənzimlənir. Elektroekstraksiya hüceyrəsində bu metal tərkibli elektrolit anodla katod arasında axır. İdarə olunan cərəyan tətbiq edildikdə, həll olmuş metal ionları hərəkət edir və katod səthində reduksiya olunaraq bərk metal çöküntüsü əmələ gətirir. Sono-elektroekstraksiyada bu elektrokimyəvi mühitə ultrasəs daxil edilir ki, akustik enerji ionların daşınmasını və elektrodun sərhəd qatının yenilənməsini intensivləşdirsin.

Sadə şəkildə desək, prosesin ardıcıllığı belədir:

• Yuyub həll etmə: Qiymətli metallar filizdən və ya ikinci dərəcəli xammaldan həll edilərək məhlula keçirilir.
• Məhlulun hazırlanması: Selektivliyi və çökmə xüsusiyyətlərini yaxşılaşdırmaq üçün yuyub həll etmə məhlulu təmizlənir və ya tənzimlənir.
• Sono-elektrokimyəvi çökmə: Ultrasəs və elektrik cərəyanı elektroekstraksiya hüceyrəsində eyni vaxtda təsir göstərir.
• Katod çöküntüsünün əldə edilməsi: Prosesin quruluşundan asılı olaraq, metal çöküntüləri təbəqə, toz, süngər, folqa və ya digər çöküntü formalarında toplanır.
• Elektrolitin təkrar dövriyyəsi: Metal tərkibi azalmış elektrolit regenerasiya edilə, təkrar istifadə oluna və ya hidrometallurgiya dövrəsinə qaytarıla bilər.

Sonikasiya elektroekstraksiyanı niyə yaxşılaşdırır

Bir çox elektroekstraksiya sistemində əsas məhdudlaşdırıcı amil yalnız elektrik reaksiyasının özü deyil. Bu amil katod səthinə yeni metal ionlarının çatdırılması, reaksiya məhsullarının və qaz qabarcıqlarının uzaqlaşdırılması, həmçinin aktiv, təmiz və bircins elektrod fazalararası sərhədinin saxlanmasıdır. Ultrasəs bu məhdudiyyətlərə birbaşa təsir göstərir.
Yüksək güclü ultrasəs elektrolitə daxil olduqda akustik kavitasiya yaradır: mikroskopik qabarcıqlar əmələ gəlir, rəqs edir və çökür. Bu çökmələr mikroşırnaqlar, zərbə dalğaları və intensiv yerli kəsilmə təsiri yaradır. Maye fazalı emalda bu, yerli qarışdırma, mikroqarışdırma, dispersləşdirmə, deaqlomerasiya və fazalararası daşınmanın sürətlənməsinə səbəb ola bilər.
Hielscher ultrasəs və sono-elektrotexnologiyası mayelərin emalı üçün idarə olunan akustik kavitasiyaya əsaslanır; burada ultrasəs dalğaları mayelərə, suspenziyalara və şlamlara kəsilmə təsiri, zərbə dalğaları, mikroşırnaqlar və təkrarlana bilən enerji ötürülməsi yaradan kavitasiya sahələri formalaşdırır.
Elektroekstraksiyada bu təsirlər xüsusilə qiymətlidir, çünki elektrokimyəvi reaksiya səthdə baş verir. Ultrasəs elektrod yaxınlığında konsentrasiya qradiyentlərini azalda, diffuziya qatını sıxa və ya poza, həmçinin katoda fasiləsiz olaraq yeni metal ionları çatdıra bilər. Ultrasəslə gücləndirilən elektrokimyəvi kütlə daşınmasına dair son işlər akustik axının yaratdığı diffuziya qatının sıxılması nəticəsində cərəyanın artmasını təsvir edir; ultrasəsin köməyi ilə elektroçökməyə dair tədqiqatlar isə kavitasiya, mikroaxın və akustik təzyiq təsirləri vasitəsilə ion daşınmasının yaxşılaşdığını bildirir.

Sinerji: sonikasiya və elektrokimya

Sono-elektroekstraksiyanın üstünlüyü yalnız ultrasəsin məhlulu “qarışdırması” ilə məhdudlaşmır. Hielscher Sono-Electro-Probes elektrokimyəvi sistemə eyni vaxtda yüksək intensivlikli ultrasəs və elektrik cərəyanı daxil edən ultrasəs zondlarını və elektrodları birləşdirir. Burada əsas məqam iki enerji sahəsinin sinergetik əlaqələndirilməsidir: elektrik enerjisi metal ionlarının reduksiya reaksiyasını hərəkətə gətirir, akustik enerji isə bu reaksiyanın baş verdiyi fiziki və fazalararası şəraiti yaxşılaşdırır.
Bu sinerji sənaye baxımından əhəmiyyətli bir sıra üstünlüklər yarada bilər:

• Daha yüksək kütlə ötürülməsi: Sonikasiya həll olmuş metal ionlarının katod səthinə çatdırılmasını yaxşılaşdıraraq onların yerli tükənməsini azaldır.
• Daha təmiz elektrod səthləri: Kavitasiya və akustik axın passivləşdirici təbəqələrin, zəif yapışmış hissəciklərin, qaz qabarcıqlarının və reaksiya məhsullarının uzaqlaşdırılmasına kömək edir.
• Cərəyana görə çıxımın yaxşılaşdırılması potensialı: Daha aktiv elektrod fazalararası sərhədi konsentrasiya polyarlaşması və səthin bloklanması ilə bağlı itkiləri azalda bilər, lakin yekun səmərəlilik elektrolitin kimyəvi xüsusiyyətlərindən və iş parametrlərindən asılıdır.
• Daha bərabər çökmə: Ultrasəsin köməyi ilə elektroçökmə daha hamar, daha sıx, daha bərabər çöküntülər və daha xırda dənəli strukturlarla əlaqələndirilmişdir.
• Daha sürətli elektroçökmə kinetikası: Gücləndirilmiş kütlə ötürülməsi və səthin aktivləşdirilməsi optimallaşdırılmış şəraitdə daha yüksək çökmə sürətlərinə imkan verə bilər.
• Diffuziya məhdudiyyətlərinin azalması: Elektroddakı sərhəd qatını pozmaqla ultrasəs, hətta metal konsentrasiyaları nisbətən aşağı olduqda belə, daha sabit çökməyə şərait yarada bilər.
• Mürəkkəb elektrolitlərin daha yaxşı emalı: Ultrasəslə qarışdırma dispersləşməni yaxşılaşdıraraq və yerli durğunluğu azaldaraq suspenziyaların, xırda hissəciklərin və emalı çətin olan yuyub həll etmə məhlullarının emalına kömək edə bilər.

Bu, sono-elektroekstraksiyanı ənənəvi elektroekstraksiyanın yavaş kinetika, zəif çöküntü morfologiyası, konsentrasiya polyarlaşması, elektrodun çirklənməsi, səthin qaz qabarcıqları ilə örtülməsi və ya metal ionlarının aşağı konsentrasiyası ilə məhdudlaşdığı hidrometallurgiya dövrələri üçün xüsusilə cəlbedici edir.

Pt elektrodlarının ənənəvi və sonoelektrokimyəvi həllolma sürətlərinin müqayisəsi.
Tədqiqat və qrafiklər: ©Vasile et al., 2021

Metalların çıxarılması üçün sənaye üstünlükləri

Metalların sənaye üsulu ilə çıxarılmasında sono-elektroekstraksiyanın dəyəri prosesin intensivləşdirilməsindədir. Sonikasiya gücü, elektrod həndəsəsi, elektrolit tərkibi və cərəyan sıxlığı düzgün uyğunlaşdırılarsa, daha qısa müddətdə potensial olaraq daha çox metal əldə edilə bilər; bu zaman çöküntünün morfologiyası yaxşılaşır və hüceyrənin işi daha sabit olur.

Praktik baxımdan sono-elektroekstraksiya aşağıdakılara kömək edir:

• Metal tərkibi aşağı olan yuyub həll etmə məhlullarından metalın əldə edilməsi: Daha yaxşı kütlə ötürülməsi həll olmuş metal konsentrasiyaları ideal olmadıqda çökmənin davam etməsinə kömək edə bilər.
• Katodun keyfiyyətinin yaxşılaşması: Daha hamar və daha bərabər çöküntülər sonrakı mərhələlərdə metalın katoddan ayrılmasını, əridilməsini, saflaşdırılmasını və ya tozun emalını sadələşdirə bilər.
• Çirklənməyə daha az meyillilik: Səthin fasiləsiz yenilənməsi passivləşmənin və arzuolunmaz səth təbəqələrinin təsirini azalda bilər.
• Daha yığcam proses quruluşu: Prosesin kimyəvi xüsusiyyətlərindən asılı olaraq, daha sürətli kinetika daha kiçik hüceyrələrdən istifadəyə və ya daha yüksək emal məhsuldarlığına imkan verə bilər.
• İkinci dərəcəli resurslardan metalın əldə edilməsinin gücləndirilməsi: Batareyaların qara kütləsi, elektron tullantılar, katalizatorlar, şlaklar və sənaye qalıqları çox vaxt kütlə ötürülməsinin intensivləşdirilməsinin faydalı olduğu mürəkkəb yuyub həll etmə məhlulları yaradır.
• Prosesin daha yaxşı idarə olunması: Müasir ultrasəs sistemləri partiyalı və ya fasiləsiz axın xətti qurğularına inteqrasiya edilə və amplituda, qalma müddəti, axın sərfi, temperatur və daxil edilən enerji vasitəsilə tənzimlənə bilər.

Hielscher sono-elektrosistemləri unikaldır: sono-elektrod eyni vaxtda həm ultrasəs zondu, həm də elektrod kimi fəaliyyət göstərir. Sono-elektroqurğular laboratoriya sınaqlarından pilot istismara və sənaye axın xəttində istehsala qədər miqyası artırıla bilən maye emalı üçün layihələndirilmişdir. Yüksək güclü ultrasəs, 24/7 fasiləsiz işləmə imkanı, sənaye səviyyəli möhkəmlik və az texniki xidmət tələbi Hielscher sono-elektrosistemlərini sənaye sono-elektroekstraksiyası üçün ideal edir.
Amplituda, daxil edilən enerji, axın sərfi, temperatur və qalma müddəti kimi idarə olunan parametrlər vasitəsilə miqyasın xətti artırılması istehsal güclərinin artırılmasını əhəmiyyətli dərəcədə asanlaşdırır.

Yuyub həll etmə–elektroekstraksiya zəncirində sono-elektroekstraksiya

Ənənəvi hidrometallurgiya müəssisəsində elektroekstraksiya çox vaxt yuyub həll etmədən, bərk–maye ayırmasından, təmizləmədən və bəzən həlledici ilə ekstraksiya və ya ion mübadiləsindən sonra yerləşir. Sono-elektroekstraksiya həll olmuş metal ionlarının bərk metala çevrilməsini intensivləşdirmək üçün bu sonrakı metal əldə etmə mərhələsinə inteqrasiya edilə bilər.

Tipik proses yolu belə ola bilər:

1. Hədəf metalı həll etmək üçün xırdalanmış filiz, konsentrat, zənginləşdirmə tullantıları və ya ikinci dərəcəli xammal yuyub həll edilir.
2. Həll olmayan boş süxur, qalıq bərk maddələr və arzuolunmaz fazalar uzaqlaşdırılır və ya onların miqdarı azaldılır.
3. Selektiv elektroekstraksiya üçün metal ilə zənginləşmiş yuyub həll etmə məhlulu kimyəvi olaraq tənzimlənir.
4. Elektrolit sono-elektrodlar və dövriyyə sistemi ilə təchiz edilmiş elektroekstraksiya hüceyrəsinə verilir.
5. Tətbiq olunan cərəyan metalı katod üzərinə çökdürərkən sonikasiya ion daşınmasını və elektrod səthinin yenilənməsini yaxşılaşdırır.
6. Metal məhsulu toplanır, elektrolit isə təkrar istifadə olunur və ya əlavə emala göndərilir.

Bu kombinasiya metal çıxarılması sənayesinin daha çətin emal olunan resursları emal etməli olduğu hallarda xüsusilə maraqlıdır. Gələcəkdə istifadə olunacaq bir çox xammal daha aşağı metal tərkibinə, daha çox qarışığa, daha xırda hissəciklərə, qarışıq kimyəvi xüsusiyyətlərə və ya dəyişkən tərkibə malikdir. Sono-elektroekstraksiya elektrolitlə elektrod səthi arasındakı qarşılıqlı təsiri yaxşılaşdıraraq elektrokimyəvi metal əldə etmə mərhələsini daha dayanıqlı etmək üçün bir yol təklif edir.

Metalların sono-elektrokimyəvi əldə edilməsi: daha aşağı proses xərcləri ilə daha yüksək çıxım

Elektroekstraksiya artıq hidrometallurgiyanın əsas dayaqlarından biridir, çünki metalların sulu məhlullardan yüksək dəyərli bərk məhsullar şəklində əldə edilməsinə imkan verir. Sono-elektroekstraksiya metalın əldə edilməsinin səmərəliliyini, cərəyana görə çıxımı və enerji sərfiyyatını yaxşılaşdıraraq ənənəvi elektroekstraksiyanı təkmilləşdirir.
Yüksək güclü ultrasəsin və elektroekstraksiyanın sinergetik təsirləri elektrokimyəvi fazalararası sərhədin fiziki məhdudiyyətlərinə təsir edir və metalların daha intensiv, idarə olunan və potensial olaraq daha səmərəli əldə edilməsinə şərait yaradır. Mədənçilik, təkrar emal və metallurgiya əməliyyatları üçün bu texnologiya getdikcə mürəkkəbləşən xammalla daha təmiz, daha selektiv və daha yüksək emal məhsuldarlığına malik çıxarma üsullarına olan ehtiyac arasındakı uyğunsuzluğu aradan qaldırmağa kömək edir.

Prosesin intensivləşdirilməsi vasitəsi kimi sono-elektroekstraksiya

Metalların çıxarılmasının gələcəyi daha çətin emal olunan resurslardan daha çox metal əldə edilməsindən asılı olacaq. Bir çox bölgədə yüksək metal tərkibli filizlər azalır, mis, nikel, kobalt, litiumla əlaqəli metallar, qiymətli metallar və nadir elementlərə tələbat isə artır. Eyni zamanda sənaye diqqətini ilkin filizlərdən istifadə olunmuş batareyalar, elektron qırıntılar, katalizatorlar, sənaye qalıqları və proses suları kimi ikinci dərəcəli resurslara doğru genişləndirir.
Sono-elektroekstraksiya bu şərait üçün cəlbedici proses intensivləşdirmə strategiyası təklif edir. Elektrokimyəvi metal əldə edilməsinin selektivliyini ultrasəs kavitasiyasının fazalararası təsir gücü ilə birləşdirərək kütlə ötürülməsini, elektrod aktivliyini, çöküntü morfologiyasını və prosesin dayanıqlığını yaxşılaşdıra bilər. Sənaye operatorları üçün bu, yuyub həll edilmiş metal ionlarından əldə edilə bilən metal məhsuluna aparan daha etibarlı yol deməkdir.
Qısaca desək, sono-elektroekstraksiya katod səthini daha dinamik reaksiya zonasına çevirir. Sonikasiya elektrokimyəvi fazalararası sərhədi aktiv saxlayır; elektrokimya həll olmuş ionları metala çevirir; birlikdə isə müasir hidrometallurgiya ekstraksiyası üçün güclü platforma yaradırlar.

Yüksək məhsuldarlıqlı Sono-Electro-Probes və SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs sistemləri sahəsində uzun illərin təcrübəsinə malik tərəfdaşınızdır. Biz çətin şəraitdə ağır iş rejimli tətbiqlər üçün bütün dünyada istifadə olunan ən müasir ultrasəs zondları və reaktorları istehsal edir və təchiz edirik. Sonoelektrokimya üçün Hielscher katod və/və ya anod kimi fəaliyyət göstərə bilən xüsusi ultrasəs zondları, eləcə də elektrokimyəvi reaksiyalara uyğun ultrasəs reaktor hüceyrələri hazırlamışdır. Ultrasəs elektrodları və hüceyrələri həm qalvanik / voltaik, həm də elektrolitik sistemlər üçün mövcuddur.
 

İndi bizimlə əlaqə saxlayın və elektrokimyəvi prosesinizin tələbləri barədə bizə məlumat verin! Sizə ən uyğun ultrasəs elektrodlarını və reaktor qurğusunu tövsiyə edəcəyik!
 

Ədəbiyyat / İstinadlar

• 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