Соноелектроекстракция за промишлено извличане на метали

Тъй като световното търсене на мед, никел, кобалт, цинк, сребро, злато, редки метали и материали за батерии продължава да нараства, производителите на метали са под натиск да извличат повече стойност от руди, концентрати, хвостове, потоци от рециклирани материали и суровини с ниско съдържание на метали. В хидрометалургията един от най-утвърдените методи за извличане на метали е електролитното извличане, известно също като електроекстракция: разтворените метални йони се извличат от разтвор след излужване чрез прилагане на електрически ток, който редуцира йоните и отлага метала върху катод.

Соноелектроекстракция за подобрено хидрометалургично извличане на метали

Соноелектроекстракцията доразвива този принцип, като съчетава електроекстракцията с ултразвук с висок интензитет. Резултатът е соноелектрохимичен процес, при който акустичната кавитация, микропотоците и електрохимичната редукция действат съвместно. Вместо да разчита само на електрическия потенциал и конвенционалната циркулация на електролита, соноелектроекстракцията въвежда интензивно локално смесване непосредствено на или близо до границата между електрода и електролита, където всъщност се извършва отлагането на метала. Многобройни публикации съобщават, че ултразвукът подобрява масопреноса, нарушава дифузионния слой, почиства електродните повърхности, отстранява газовите мехурчета и подпомага постигането на по-високи скорости на електрохимичните процеси.

Соноелектросонди: 2 ултразвукови преобразувателя привеждат съответно анода и катода в трептене. Соноелектродите, или соноелектросондите, действат едновременно като електроди и ултразвукови сонди за подобрена електроекстракция.

От рудата до катода: как работи соноелектроотлагането

Промишлената електроекстракция обикновено започва с излужване. На този предходен етап целевият метал се разтваря от руда, концентрат, технологичен остатък, шлака, черна маса, електронни отпадъци или друга металургична суровина във воден разтвор. В зависимост от метала и химичния състав на рудата излужващият реагент може да бъде киселинен, алкален, на основата на хлориди, сулфати или цианиди, амонячен, на основата на органични киселини или с друг химичен състав, адаптиран за разтваряне на ценната метална фаза.
След излужването обогатеният с метал разтвор обикновено се избистря, пречиства и коригира по отношение на pH, електропроводимостта, температурата, концентрацията на метала и състава на примесите. В клетката за електроекстракция този съдържащ метал електролит протича между анод и катод. При прилагане на контролиран ток разтворените метални йони мигрират и се редуцират на повърхността на катода, където образуват твърдо метално отложение. При соноелектроекстракцията в тази електрохимична среда се въвежда ултразвук, така че акустичната енергия интензифицира преноса на йони и обновяването на граничния слой на електрода.

Казано просто, последователността на процеса е следната:

• Излужване: Ценните метали се разтварят от рудата или вторичната суровина и преминават в разтвор.
• Кондициониране на разтвора: Разтворът след излужване се пречиства или коригира, за да се подобрят селективността и характеристиките на отлагането.
• Соноелектрохимично отлагане: Ултразвукът и електрическият ток действат едновременно в клетката за електроекстракция.
• Събиране на катодния метал: Металните отложения се събират като листове, прах, гъба, фолио или други форми на отложение в зависимост от устройството на процеса.
• Рециркулация на електролита: Обедненият електролит може да бъде регенериран, рециклиран или върнат в хидрометалургичната схема.

Защо ултразвуковата обработка подобрява електроекстракцията

Основното ограничение в много системи за електроекстракция не е само самата електрическа реакция. То е и в доставянето на нови метални йони до катодната повърхност, отстраняването на реакционните продукти и газовите мехурчета и поддържането на активна, чиста и хомогенна граница между електрода и електролита. Ултразвукът пряко въздейства върху тези ограничения.
Когато ултразвук с висока мощност навлезе в електролита, той създава акустична кавитация: образуват се микроскопични мехурчета, които осцилират и колапсират. Тези колапси пораждат микроструи, ударни вълни и интензивно локално срязване. При обработката в течна фаза това може да предизвика локално смесване, микросмесване, диспергиране, деагломерация и ускорен пренос през междуфазната граница.
Ултразвуковата и соноелектрическата технология на Hielscher е изградена около контролирана акустична кавитация за обработка на течности, при която ултразвуковите вълни генерират кавитационни полета, пораждащи срязване, ударни вълни, микроструи и възпроизводимо предаване на енергия в течности, суспензии и пулпи.
При електроекстракцията тези ефекти са особено ценни, защото електрохимичната реакция протича на повърхност. Ултразвукът може да намали концентрационните градиенти в близост до електрода, да изтъни или наруши дифузионния слой и непрекъснато да доставя нови метални йони до катода. Скорошни изследвания на електрохимичния масопренос, усилен с ултразвук, описват повишаване на тока чрез изтъняване на дифузионния слой, предизвикано от акустични потоци, докато изследвания на подпомогнатото с ултразвук електроотлагане съобщават за подобрен пренос на йони чрез кавитация, микропотоци и ефекти на акустичното налягане.

Синергията: ултразвукова обработка плюс електрохимия

Предимството на соноелектроекстракцията не се състои само в това, че ултразвукът „разбърква“ разтвора. Hielscher Sono-Electro-Probes съчетават ултразвукови сонди и електроди, които едновременно въвеждат ултразвук с висок интензитет и електрически ток в електрохимична система. Ключът тук е синергичното взаимодействие на две енергийни полета: електрическата енергия задвижва реакцията на редукция на металните йони, а акустичната енергия подобрява физичните условия и условията на междуфазната граница, при които протича тази реакция.
Тази синергия може да създаде няколко предимства от значение за промишлеността:

• По-интензивен масопренос: Ултразвуковата обработка подобрява доставянето на разтворени метални йони до катодната повърхност, като намалява локалното обедняване.
• По-чисти електродни повърхности: Кавитацията и акустичните потоци спомагат за отстраняването на пасивиращи слоеве, слабо закрепени частици, газови мехурчета и реакционни продукти.
• Потенциал за подобрен токов добив: По-активната граница между електрода и електролита може да намали загубите, свързани с концентрационната поляризация и блокирането на повърхността, въпреки че крайният токов добив зависи от химичния състав на електролита и работните параметри.
• По-равномерно отлагане: Подпомогнатото с ултразвук електроотлагане се свързва с по-гладки, по-плътни и по-равномерни отложения и по-фина зърнеста структура.
• По-бърза кинетика на електроотлагането: Подобреният масопренос и активирането на повърхността могат да позволят по-високи скорости на отлагане при оптимизирани условия.
• Намалени дифузионни ограничения: Като нарушава граничния слой при електрода, ултразвукът може да подпомогне по-стабилно отлагане дори когато концентрациите на металите са сравнително ниски.
• По-добра обработка на сложни електролити: Ултразвуковото разбъркване може да подпомогне обработката на суспензии, фини частици и трудни за обработка разтвори след излужване чрез подобряване на диспергирането и намаляване на локалния застой.

Това прави соноелектроекстракцията особено привлекателна за хидрометалургични схеми, при които конвенционалната електроекстракция е ограничена от бавна кинетика, неблагоприятна морфология на отложенията, концентрационна поляризация, замърсяване на електродите, покриване с газови мехурчета или ниска концентрация на метални йони.

Конвенционални спрямо соноелектрохимични скорости на разтваряне на Pt електроди.
Изследване и графики: ©Vasile et al., 2021

Промишлени предимства при извличането на метали

При промишленото извличане на метали стойността на соноелектроекстракцията се състои в интензификацията на процеса. Потенциално може да се извлече повече метал за по-кратко време, с подобрена морфология на отложенията и по-стабилна работа на клетката, при условие че мощността на ултразвуковата обработка, геометрията на електродите, съставът на електролита и плътността на тока са правилно съгласувани.

На практика соноелектроекстракцията подпомага:

• Извличането от разтвори след излужване с ниско съдържание на метали: По-добрият масопренос може да спомогне за поддържане на отлагането, когато концентрациите на разтворените метали не са идеални.
• Подобреното качество на катодния метал: По-гладките и по-равномерни отложения могат да улеснят последващото им отделяне от катода, топене, рафиниране или обработка на праха.
• По-ниската склонност към замърсяване: Непрекъснатото обновяване на повърхността може да намали влиянието на пасивацията и нежеланите повърхностни слоеве.
• По-компактното устройство на процеса: По-бързата кинетика може да позволи по-малки клетки или по-висока производителност в зависимост от химията на процеса.
• Подобреното извличане от вторични ресурси: Черната маса от батерии, електронните отпадъци, катализаторите, шлаките и промишлените остатъци често образуват сложни разтвори след излужване, при които интензифицираният масопренос е ценен.
• По-добрата управляемост на процеса: Съвременните ултразвукови системи могат да бъдат интегрирани в периодични или непрекъснати проточни установки и настройвани чрез амплитудата, времето на престой, дебита, температурата и вложената енергия.

Соноелектрическите системи на Hielscher са уникални: соноелектродът действа едновременно като ултразвукова сонда и електрод. Соноелектрическите установки са проектирани за мащабируема обработка на течности – от лабораторни изпитвания до пилотна експлоатация и промишлено проточно производство. Ултразвукът с висока мощност, възможността за непрекъсната работа 24/7, здравината, съответстваща на промишлените изисквания, и ниските изисквания за поддръжка правят соноелектрическите системи на Hielscher идеални за промишлена соноелектроекстракция.
Линейното увеличаване на мащаба чрез контролирани параметри като амплитуда, вложена енергия, дебит, температура и време на престой значително улеснява увеличаването на производствения капацитет.

Соноелектроекстракцията във веригата излужване–електроекстракция

В конвенционален хидрометалургичен завод електроекстракцията често се извършва след излужване, разделяне на твърдата и течната фаза, пречистване и понякога екстракция с разтворител или йонообмен. Соноелектроекстракцията може да бъде интегрирана в този последващ етап на извличане, за да интензифицира превръщането на разтворените метални йони в твърд метал.

Типичната технологична последователност може да изглежда така:

1. Натрошената руда, концентратът, хвостовете или вторичната суровина се подлагат на излужване, за да се разтвори целевият метал.
2. Неразтворимата празна скална маса, остатъчните твърди вещества и нежеланите фази се отстраняват или количеството им се намалява.
3. Химичният състав на обогатения с метал разтвор след излужване се коригира за селективна електроекстракция.
4. Електролитът се подава в клетка за електроекстракция, оборудвана със соноелектроди и система за циркулация.
5. Ултразвуковата обработка подобрява преноса на йони и обновяването на електродната повърхност, докато приложеният ток отлага метала върху катода.
6. Металният продукт се събира, а електролитът се рециклира или се изпраща за допълнителна обработка.

Тази комбинация е особено интересна там, където промишлеността за извличане на метали трябва да обработва по-трудни ресурси. Много бъдещи суровини имат по-ниско съдържание на метали, повече примеси, по-фини частици, смеси с различни химични характеристики или променлив състав. Соноелектроекстракцията предлага начин да се повиши устойчивостта на електрохимичния етап на извличане чрез подобряване на взаимодействието между електролита и електродната повърхност.

Соноелектрохимично извличане на метали: по-високи добиви при по-ниски разходи за процеса

Електроекстракцията вече е основополагащ процес в хидрометалургията, защото може да извлича метали от водни разтвори като твърди продукти с висока стойност. Соноелектроекстракцията подобрява конвенционалната електроекстракция, като подобрява ефективността на извличане, токовия добив и енергопотреблението.
Синергичните ефекти на ултразвука с висока мощност и електроекстракцията преодоляват физичните ограничения на електрохимичната граница и подпомагат по-интензивно, контролирано и потенциално по-ефективно извличане на метали. За миннодобивните, рециклиращите и металургичните дейности технологията помага да се преодолее разривът между все по-сложните суровини и необходимостта от по-чисти, по-селективни методи за извличане с по-висока производителност.

Соноелектроекстракцията като средство за интензификация на процеса

Бъдещето на извличането на метали ще зависи от извличането на повече метал от по-трудни ресурси. Рудите с високо съдържание на метали намаляват в много региони, докато търсенето на мед, никел, кобалт, метали, свързани с лития, благородни метали и редки елементи нараства. Същевременно промишлеността разширява фокуса си от първичните руди към вторични ресурси като излезли от употреба батерии, електронен скрап, катализатори, промишлени остатъци и технологични води.
Соноелектроекстракцията предлага привлекателна стратегия за интензификация на процеса в тези условия. Като съчетава селективността на електрохимичното извличане на метали с мощното въздействие на ултразвуковата кавитация върху междуфазната граница, тя може да подобри масопреноса, активността на електродите, морфологията на отложенията и устойчивостта на процеса. За промишлените оператори това означава по-надежден път от металните йони в разтвора след излужване до метален продукт, който може да бъде извлечен.
Накратко, соноелектроекстракцията превръща катодната повърхност в по-динамична реакционна зона. Ултразвуковата обработка поддържа електрохимичната граница активна; електрохимията превръща разтворените йони в метал; а заедно те създават мощна платформа за съвременно хидрометалургично извличане.

Високопроизводителни Sono-Electro-Probes и SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics е вашият партньор с дългогодишен опит в областта на високопроизводителните ултразвукови системи. Ние произвеждаме и разпространяваме най-съвременни ултразвукови сонди и реактори, които се използват по целия свят за тежки приложения във взискателни среди. За соноелектрохимията Hielscher разработи специални ултразвукови сонди, които могат да действат като катод и/или анод, както и ултразвукови реакторни клетки, подходящи за електрохимични реакции. Ултразвукови електроди и клетки се предлагат както за галванични / волтови, така и за електролитни системи.
 

Свържете се с нас сега и ни разкажете за изискванията на вашия електрохимичен процес! Ще ви препоръчаме най-подходящите ултразвукови електроди и реакторна установка!
 

Литература / Източници

• 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