Соно-електролизно извличане на метали за промишлени нужди

Тъй като световното търсене на мед, никел, кобалт, цинк, сребро, злато, редки метали и материали, използвани в производството на батерии, продължава да нараства, производителите на метали са под натиск да извличат по-голяма стойност от руди, концентрати, хвостове, рециклирани потоци и суровини с ниско съдържание на метал. В хидрометаллургията един от най-утвърдените методи за извличане на метали е електроизвличането, известно още като електроекстракция: разтворените метални йони се извличат от разтвора за излугване чрез прилагане на електрически ток, който редуцира йоните и отлага метала върху катода.

Звуково-електролитно извличане за подобряване на хидрометаллургичното извличане на метали

Соно-електроизвличането развива този принцип, като съчетава електроизвличането с ултразвук с висока интензивност. Резултатът е соноелектрохимичен процес, при който акустичната кавитация, микропотоците и електрохимичното редуциране действат съвместно. Вместо да разчита само на електрическия потенциал и конвенционалната циркулация на електролита, соно-електроизвличането въвежда интензивно локално смесване директно на или в близост до границата на разпределение на електрода, където действително се осъществява отлагането на метал. Широко е известно, че ултразвукът подобрява масовия транспорт, нарушава дифузионния слой, почиства повърхностите на електродите, отстранява газовите мехурчета и подпомага по-високи електрохимични скорости.

Ултразвукови електроди: 2 ултразвукови преобразувателя въздействат съответно върху анода и катода. Ултразвуковите електроди или ултразвуковите сонди действат едновременно като електроди и ултразвукови сонди за подобряване на електролитното извличане.

От руда до катод: Как работи соно-електродепозицията

Промишленото електроизвличане обикновено започва с излугване. В този начален етап целевият метал се разтваря от руда, концентрат, технологични остатъци, шлака, черна маса, електронен отпадък или друга металургична суровина във воден разтвор. В зависимост от химичния състав на метала и рудата, извличащият агент може да бъде киселинен, алкален, на основата на хлориди, на основата на сулфати, на основата на цианиди, амонячен, на основата на органични киселини или по друг начин химически адаптиран за разтваряне на ценната метална фаза.
След излугването наситеният излужен разтвор обикновено се избистря, пречиства и регулира по отношение на рН, проводимост, температура, концентрация на метала и профил на примесите. В клетката за електролитно извличане този електролит, съдържащ метал, протича между анод и катод. Когато се подаде контролиран ток, разтворените метални йони мигрират и се редуцират на повърхността на катода, където образуват твърд метален осадок. При соно-електроизвличането в тази електрохимична среда се въвежда ултразвук, така че акустичната енергия да ускори транспорта на йоните и обновяването на граничния слой на електрода.

Накратко, последователността на процеса е както следва:

• Излугване: Ценните метали се разтварят от рудата или вторичния суровина в разтвор.
• Подготовка на разтвора: Извличащата течност се пречиства или се регулира, за да се подобри селективността и поведението при отлагането.
• Соно-електрохимично отлагане: В клетката за електролитно извличане ултразвукът и електрическият ток действат едновременно.
• Възстановяване на катода: Металните отлагания се извличат под формата на листове, прах, гъба, фолио или други форми, в зависимост от проекта на процеса.
• Рециркулация на електролита: Изчерпаният електролит може да бъде регенериран, рециклиран или върнат в хидрометаллургичния цикъл.

Защо ултразвуковото третиране подобрява електролитното извличане

Основното препятствие в много системи за електролитно извличане не е само самата електрическа реакция. То се състои в подаването на свежи метални йони към повърхността на катода, отстраняването на реакционните продукти и газовите мехурчета, както и поддържането на активен, чист и хомогенен електроден интерфейс. Ултразвукът пряко преодолява тези ограничения.
Когато ултразвук с висока мощност проникне в електролита, той предизвиква акустична кавитация: образуват се микроскопични мехурчета, които вибрират и се разрушават. Това разрушаване генерира микроструи, ударни вълни и интензивно локално срязване. При обработката в течна фаза това може да доведе до локализирано смесване, микросмесване, дисперсия, деагломерация и ускорен междуфазен транспорт.
Ултразвуковата и соно-електротехнологията на Hielscher се основава на контролирана акустична кавитация за обработка на течности, при която ултразвуковите вълни генерират кавитационни полета, които създават срязване, ударни вълни, микроструи и възпроизводим пренос на енергия във флуиди, суспензии и каши.
При електролитното извличане тези ефекти са особено ценни, тъй като електрохимичната реакция протича на повърхността. Ултразвукът може да намали концентрационните градиенти в близост до електрода, да компресира или наруши дифузионния слой и непрекъснато да доставя свежи метални йони към катода. Последните изследвания върху усилвания от ултразвук електрохимичен масов транспорт описват усилване на тока чрез компресиране на дифузионния слой, задвижвано от акустично течение, докато изследванията върху ултразвуково подпомаганото електроотлагане отчитат подобрен йонов транспорт чрез ефектите на кавитация, микропоток и акустично налягане.

Синергията: ултразвукова обработка и електрохимия

Предимството на соно-електроизвличането не се състои само в това, че ултразвукът “разбърква” Решението. Устройствата „Hielscher Sono-Electro-Probes“ съчетават ултразвукови сонди и електроди, които едновременно въвеждат ултразвук с висока интензивност и електрически ток в електрохимична система. Ключът тук е синергичното съчетаване на две енергийни полета: електрическата енергия задвижва реакцията на редукция на металните йони, докато акустичната енергия подобрява физическите и интерфейсните условия, при които протича тази реакция.
Тази синергия може да доведе до редица ползи от значение за промишлеността:

• По-висок масов пренос: Ултразвуковата обработка подобрява подаването на разтворени метални йони към повърхността на катода, като по този начин намалява локалното им изчерпване.
• По-чисти повърхности на електродите: Кавитацията и акустичното течение спомагат за отстраняването на пасивиращи слоеве, слабо прилепнали частици, газови мехурчета и продукти от реакцията.
• Потенциал за подобряване на ефективността на тока: По-активният електроден интерфейс може да намали загубите, свързани с концентрационната поляризация и запушването на повърхността, въпреки че крайната ефективност зависи от химичния състав на електролита и работните параметри.
• По-равномерно нанасяне: Електродепозицията с помощта на ултразвук се свързва с по-гладки, по-плътни и по-равномерни отлагания, както и с по-фини зърнести структури.
• По-бърза кинетика на електродепозицията: Подобреното пренасяне на маса и активирането на повърхността могат да позволят по-високи скорости на отлагане при оптимизирани условия.
• Ограничения, свързани с намалената дифузия: Чрез въздействие върху граничния слой в близост до електрода ултразвукът може да допринесе за по-равномерно отлагане, дори когато концентрациите на метал са относително ниски.
• По-добро управление на сложни електролити: Ултразвуковото разбъркване може да подпомогне обработката на суспензии, фини частици и трудни за извличане разтвори, като подобрява дисперсията и намалява локализираната стагнация.

Това прави соно-електроизвличането особено привлекателно за хидрометалургични цикли, при които конвенционалното електроизвличане е ограничено от бавна кинетика, лоша морфология на отлаганията, концентрационна поляризация, замърсяване на електродите, покритие с газови мехурчета или ниска концентрация на метални йони.

Скорости на разтваряне на Pt електроди при конвенционален и соноелектрохимичен метод.
Изследване и графики: ©Vasile и др., 2021 г.

Предимства за промишлеността при добив на метали

При промишленото извличане на метали предимството на соно-електролитното извличане се състои в интензификацията на процеса. Потенциално може да се извлече повече метал за по-кратко време, при по-добра морфология на отлаганията и по-стабилна работа на клетките, при условие че мощността на ултразвуковото въздействие, геометрията на електродите, съставът на електролита и плътността на тока са правилно съгласувани.

На практика соно-електролизът подпомага:

• Извличане от разтвори с ниска концентрация: По-добрият масов пренос може да спомогне за поддържането на отлагането, когато концентрациите на разтворения метал не са идеални.
• Подобрено качество на катода: По-гладките и по-равномерни отлагания могат да улеснят последващите процеси като отделяне, топене, рафиниране или обработка на прахове.
• По-ниска склонност към образуване на отлагания: Непрекъснатото обновяване на повърхността може да намали въздействието на пасивацията и нежеланите повърхностни слоеве.
• По-компактен проект на технологичния процес: По-бързата кинетика може да позволи използването на по-малки клетки или по-висока производителност, в зависимост от химичните характеристики на процеса.
• Подобрено извличане от вторични суровини: Черната маса от акумулатори, електронните отпадъци, катализаторите, шлаките и промишлените остатъци често генерират сложни разтвори от излугване, при които ускореният масов пренос е от голямо значение.
• По-добра управляемост на процеса: Съвременните ултразвукови системи могат да бъдат интегрирани в инсталации за периодична или непрекъсната обработка и да се настройват чрез амплитуда, време на престой, дебит, температура и вложена енергия.

Системите „Sono-Electro“ на Hielscher са уникални: соно-електродът действа едновременно като ултразвукова сонда и електрод. Системите „Sono-Electro“ са проектирани за мащабируема обработка на течности – от лабораторни изпитвания до пилотни операции и промишлено производство в производствена линия. Високомощният ултразвук, възможността за непрекъсната работа 24/7, индустриалната издръжливост и ниските изисквания за поддръжка правят соно-електро-системите на Hielscher идеални за индустриално соно-електроизвличане.
Линейното мащабиране чрез контролирани параметри като амплитуда, вложената енергия, дебит, температура и време на престой спомага значително за увеличаването на производствените мощности.

Звуково-електролитно извличане в технологичната верига „излугване–електролитно извличане“

В традиционните хидрометаллургични инсталации електролизното извличане често се извършва след излугване, разделяне на твърди и течни фази, пречистване, а понякога и след екстракция с разтворител или йонообмен. Соно-електролизното извличане може да бъде интегрирано в този последващ етап на извличане, за да се ускори превръщането на разтворените метални йони в твърд метал.

Типичният технологичен процес може да изглежда по следния начин:

1. Смачканата руда, концентратът, хвостовете или вторичната суровина се подлагат на излугване, за да се разтвори целевият метал.
2. Неразтворимите примеси, остатъчните твърди вещества и нежеланите фази се отстраняват или намаляват.
3. Разтворът на наситения електролит се регулира химически с оглед селективното електролитно извличане.
4. Електролитът се подава в клетка за електролитно извличане, оборудвана със соно-електроди и система за циркулация.
5. Ултразвуковата обработка подобрява преноса на йони и обновяването на повърхността на електрода, докато подаваният ток наслагва метала върху катода.
6. Металният продукт се извлича, а електролитът се рециклира или се изпраща за по-нататъшна обработка.

Тази комбинация е особено интересна в случаите, когато металодобивната промишленост трябва да преработва по-трудни за обработка суровини. Много от бъдещите суровини съдържат по-ниско съдържание на метал, повече примеси, по-фини частици, смесени химични съединения или променлив състав. Соно-електроизвличането предлага начин за повишаване на надеждността на етапа на електрохимичното извличане чрез подобряване на взаимодействието между електролита и повърхността на електрода.

Соно-електрохимично извличане на метали: по-високи добиви при по-ниски производствени разходи

Електроизвличането вече е основен елемент на хидрометаллургията, тъй като позволява извличането на метали от водни разтвори под формата на ценни твърди продукти. Соно-електроизвличането подобрява конвенционалната електроекстракция чрез повишаване на ефективността на извличането, ефективността на тока и намаляване на енергопотреблението.
Синергичният ефект от мощния ултразвук и електролитното извличане преодолява физическите ограничения на електрохимичния интерфейс и спомага за по-интензивно, контролирано и потенциално по-ефективно извличане на метали. При минното дело, рециклирането и металургичните операции тази технология спомага за преодоляване на разминаването между все по-сложните суровини и необходимостта от по-чисти, по-селективни и по-производителни методи за извличане.

Соно-електроизвличането като средство за интензифициране на процеса

Бъдещето на добива на метали ще зависи от извличането на по-голямо количество метал от по-трудни за експлоатация находища. В много региони запасите от висококачествени руди намаляват, докато търсенето на мед, никел, кобалт, метали, свързани с лития, благородни метали и редки елементи се увеличава. Същевременно индустрията разширява фокуса си от първични руди към вторични ресурси като изхабени батерии, електронен скрап, катализатори, промишлени отпадъци и технологични води.
Соно-електроизвличането предлага убедителна стратегия за интензифициране на процеса в този контекст. Чрез съчетаване на селективността на електрохимичното извличане на метали с междуфазовата сила на ултразвуковата кавитация, то може да подобри масообмена, активността на електродите, морфологията на отлаганията и надеждността на процеса. За промишлените оператори това означава по-ефективен път от извлечените метални йони до получаването на извличаем метален продукт.
Накратко, соно-електроизвличането превръща повърхността на катода в по-динамична реакционна зона. Ултразвуковото въздействие поддържа електрохимичния интерфейс активен; електрохимичният процес превръща разтворените йони в метал; и заедно те създават мощна платформа за съвременно хидрометаллургично извличане.

Високоефективни соно-електро-зондове и соно-електро-реактори

Hielscher Ultrasonics е вашият дългогодишен опитен партньор за високопроизводителни ултразвукови системи. Ние произвеждаме и разпространяваме най-съвременни ултразвукови сонди и реактори, които се използват по целия свят за тежки приложения в взискателни среди. За соноелектрохимията Hielscher е разработил специални ултразвукови сонди, които могат да действат като катод и/или анод, както и ултразвукови реакторни клетки, подходящи за електрохимични реакции. Предлагат се ултразвукови електроди и клетки както за галванични/волтаични, така и за електролитни системи.
 

Свържете се с нас сега и ни кажете за вашите изисквания за електрохимичен процес! Ще ви препоръчаме най-подходящите ултразвукови електроди и настройка на реактора!
 

Литература / Препратки

• Еугениу Василе, Адриан Чиоканеа, Виорел Ионеску, Иоан Лепадату, Корнелия Диак, Сербан Н. Стаматин (2021): Как да направим благородните метали евтини: Соноелектрохимичен – хидродинамичен кавитационен метод за рециклиране на метали от платиновата група от отработени автомобилни катализатори. „Ultrasonics Sonochemistry“, том 72, 2021 г.
• Шериф С. Рашван, Ибрахим Динчер, Атеф Мохани, Бруно Г. Поле (2019): Процесът „Sono-Hydro-Gen“ (производство на водород чрез ултразвук): предизвикателства и възможности. Международно списание за водородна енергия, том 44, брой 29, 2019 г., 14500–14526.
• Юрдал К.; Карахан И.Х. (2017): Циклично волтаметрично изследване на електродепозицията на филми от Cu-Zn сплав: влияние на времето на ултразвукова обработкаActa Physica Polonica, том 132, 2017 г., стр. 1087–1090.
• Мейсън, Т.; Саез Бернал, В. (2012): Въведение в соноелектрохимията В: „Мощен ултразвук в електрохимията: от универсален лабораторен инструмент до инженерно решение“, първо издание. Под редакцията на Бруно Г. Поле. 2012 г., John Wiley & Sons, ООД
• Хаас, И.: „Мисли“ А. (2008): Синтез на наночастици от метален магнезий чрез соноелектрохимия. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795–1798.
• Ашаси-Сорхаби, Х.; Багери, Р. (2014): Соноелектрохимичен и електрохимичен синтез на полипиролни филми върху стомана St-12 и изследвания на тяхната корозия и морфология. „Advances in Polymer Technology“, том 33, брой 3; 2014 г.
• Соно-електрохимичният синтез подобрява ефективността на химическото производство