Sono-elektrovinning za industrijsku ekstrakciju metala

Kako globalna potražnja za bakrom, niklom, kobaltom, cinkom, srebrom, zlatom, rijetkim metalima i materijalima relevantnim za baterije i dalje raste, proizvođači metala su pod pritiskom da iz ruda, koncentrata, jalovine, recikliranih tokova i sirovina niskog sadržaja metala povrate veću vrijednost. U hidrometalurgiji je jedan od najustaljenijih postupaka za izdvajanje metala elektrovinning, poznat i kao elektroekstrakcija: otopljeni metalni joni izdvajaju se iz otopine za luženje primjenom električne struje, koja redukuje jone i taloži metal na katodi.

Sono-elektrovinning za poboljšano hidrometalurško izdvajanje metala

Sono-elektrovinning unapređuje ovaj princip kombinirajući elektrovinning s ultrazvukom visokog intenziteta. Rezultat je sonoelektrohemijski proces u kojem akustična kavitacija, mikrostrujanje i elektrohemijska redukcija djeluju zajedno. Umjesto da se oslanja samo na električni potencijal i konvencionalnu cirkulaciju elektrolita, sono-elektrovinning uvodi intenzivno lokalno miješanje direktno na granici elektrode ili u njenoj blizini, gdje se taloženje metala zapravo odvija. Široko se navodi da ultrazvuk poboljšava prijenos mase, remeti difuzijski sloj, čisti površine elektroda, uklanja mjehuriće plina i podržava veće elektrohemijske brzine.

Sono-elektrosonde: 2 ultrazvučna pretvarača pokreću anodu, odnosno katodu. Sono-elektrode ili sono-elektrosonde istovremeno djeluju kao elektrode i ultrazvučne sonde za poboljšani elektrovinning.

Od rude do katode: kako funkcioniše sono-elektrodepozicija

Industrijski elektrovinning obično počinje luženjem. U ovom prethodnom koraku ciljni metal se iz rude, koncentrata, procesnog ostatka, šljake, crne mase, elektronskog otpada ili druge metalurške sirovine otapa u vodenu otopinu. Ovisno o metalu i hemiji rude, sredstvo za luženje može biti kiselo, alkalno, na bazi hlorida, sulfata ili cijanida, amonijakalno, na bazi organskih kiselina ili na drugi način hemijski prilagođeno za otapanje vrijedne metalne faze.
Nakon luženja, bogata otopina za luženje obično se bistri, prečišćava i podešava prema pH vrijednosti, provodljivosti, temperaturi, koncentraciji metala i profilu nečistoća. U ćeliji za elektrovinning ovaj elektrolit koji sadrži metal protiče između anode i katode. Kada se primijeni kontrolisana struja, otopljeni metalni joni migriraju i redukuju se na površini katode, gdje formiraju čvrst metalni talog. U sono-elektrovinningu ultrazvuk se uvodi u ovo elektrohemijsko okruženje tako da akustična energija intenzivira transport jona i obnavljanje graničnog sloja elektrode.

Jednostavno rečeno, slijed procesa je sljedeći:

• Luženje: Vrijedni metali se iz rude ili sekundarne sirovine otapaju u otopinu.
• Priprema otopine: Otopina za luženje se prečišćava ili podešava kako bi se poboljšala selektivnost i ponašanje pri taloženju.
• Sono-elektrohemijsko taloženje: Ultrazvuk i električna struja istovremeno djeluju u ćeliji za elektrovinning.
• Izdvajanje s katode: Metalni talozi se skidaju u obliku limova, praha, spužve, folije ili drugih oblika taloga, ovisno o konstrukciji procesa.
• Recirkulacija elektrolita: Osiromašeni elektrolit može se regenerisati, reciklirati ili vratiti u hidrometalurški krug.

Zašto ultrazvučna obrada poboljšava elektrovinning

Glavno usko grlo u mnogim sistemima za elektrovinning nije samo sama električna reakcija. To su dovod svježih metalnih jona na površinu katode, uklanjanje produkata reakcije i mjehurića plina te održavanje aktivne, čiste i homogene granice elektrode. Ultrazvuk se direktno bavi ovim ograničenjima.
Kada ultrazvuk velike snage uđe u elektrolit, stvara akustičnu kavitaciju: mikroskopski mjehurići nastaju, osciliraju i kolabiraju. Ovi kolapsi stvaraju mikromlazeve, udarne talase i intenzivne lokalne smične sile. U obradi tekućina to može izazvati lokalizirano miješanje, mikromiješanje, disperziju, deaglomeraciju i ubrzani transport na granici faza.
Hielscher ultrazvučna i sono-elektro tehnologija zasniva se na kontrolisanoj akustičnoj kavitaciji za obradu tekućina, pri čemu ultrazvučni talasi stvaraju kavitacijska polja koja proizvode smične sile, udarne talase, mikromlazeve i ponovljiv prijenos energije u tekućine, suspenzije i guste suspenzije.
U elektrovinningu su ovi efekti posebno vrijedni jer se elektrohemijska reakcija odvija na površini. Ultrazvuk može smanjiti koncentracijske gradijente u blizini elektrode, sabiti ili narušiti difuzijski sloj i kontinuirano dovoditi svježe metalne jone do katode. Nedavni radovi o elektrohemijskom prijenosu mase potpomognutom ultrazvukom opisuju povećanje struje kroz sabijanje difuzijskog sloja uzrokovano akustičnim strujanjem, dok istraživanja elektrodepozicije potpomognute ultrazvukom navode poboljšan transport jona zahvaljujući kavitaciji, mikrostrujanju i efektima akustičnog pritiska.

Sinergija: ultrazvučna obrada plus elektrohemija

Prednost sono-elektrovinninga nije samo u tome što ultrazvuk „miješa“ otopinu. Hielscher Sono-Electro-Probes kombinuju ultrazvučne sonde i elektrode koje istovremeno unose ultrazvuk visokog intenziteta i električnu struju u elektrohemijski sistem. Ključ je pritom u sinergijskom spajanju dva energetska polja: električna energija pokreće reakciju redukcije metalnih jona, dok akustična energija poboljšava fizičke uslove i uslove na granici faza u kojima se ta reakcija odvija.
Ova sinergija može donijeti nekoliko industrijski relevantnih prednosti:

• Veći prijenos mase: Ultrazvučna obrada poboljšava dovod otopljenih metalnih jona do površine katode i smanjuje lokalno osiromašenje.
• Čišće površine elektroda: Kavitacija i akustično strujanje pomažu u uklanjanju pasivirajućih filmova, slabo vezanih čestica, mjehurića plina i produkata reakcije.
• Potencijal za veću strujnu efikasnost: Aktivnija granica elektrode može smanjiti gubitke povezane s koncentracijskom polarizacijom i blokiranjem površine, iako konačna efikasnost ovisi o hemiji elektrolita i radnim parametrima.
• Ujednačenije taloženje: Elektrodepozicija potpomognuta ultrazvukom dovodi se u vezu s glatkijim, gušćim i ujednačenijim talozima te finijim zrnastim strukturama.
• Brža kinetika elektrodepozicije: Poboljšan prijenos mase i aktivacija površine mogu omogućiti veće brzine taloženja pod optimiziranim uslovima.
• Smanjena difuzijska ograničenja: Remećenjem graničnog sloja na elektrodi ultrazvuk može podržati ujednačenije taloženje čak i kada su koncentracije metala relativno niske.
• Bolje rukovanje složenim elektrolitima: Ultrazvučno miješanje može podržati obradu suspenzija, finih čestica i zahtjevnih otopina za luženje poboljšanjem disperzije i smanjenjem lokalizirane stagnacije.

Zbog toga je sono-elektrovinning posebno privlačan za hidrometalurške krugove u kojima je konvencionalni elektrovinning ograničen sporom kinetikom, lošom morfologijom taloga, koncentracijskom polarizacijom, zaprljanjem elektroda, prekrivenošću mjehurićima plina ili niskom koncentracijom metalnih jona.

Konvencionalne i sonoelektrohemijske brzine otapanja Pt elektroda.
Studija i grafikoni: ©Vasile et al., 2021

Industrijske prednosti za ekstrakciju metala

Za industrijsku ekstrakciju metala vrijednost sono-elektrovinninga leži u intenzifikaciji procesa. Potencijalno se može povratiti više metala u kraćem vremenu, uz poboljšanu morfologiju taloga i stabilniji rad ćelije, pod uslovom da su snaga ultrazvučne obrade, geometrija elektroda, sastav elektrolita i gustoća struje pravilno usklađeni.

U praktičnom smislu, sono-elektrovinning podržava:

• Izdvajanje iz otopina za luženje niskog sadržaja metala: Bolji prijenos mase može pomoći u održavanju taloženja kada koncentracije otopljenih metala nisu idealne.
• Bolji kvalitet katode: Glatkiji i ujednačeniji talozi mogu pojednostaviti naknadno skidanje, topljenje, rafiniranje ili rukovanje prahom.
• Manja sklonost zaprljanju: Kontinuirana obnova površine može smanjiti utjecaj pasivacije i neželjenih površinskih filmova.
• Kompaktnija konstrukcija procesa: Brža kinetika može omogućiti manje ćelije ili veći protok, ovisno o hemiji procesa.
• Poboljšano izdvajanje iz sekundarnih resursa: Crna masa baterija, elektronski otpad, katalizatori, šljake i industrijski ostaci često stvaraju složene otopine za luženje u kojima je intenzivirani prijenos mase vrijedan.
• Bolja kontrola procesa: Moderni ultrazvučni sistemi mogu se integrisati u šaržne ili kontinuirane inline postavke i podešavati putem amplitude, vremena zadržavanja, protoka, temperature i unosa energije.

Hielscher sono-elektro sistemi su jedinstveni: sono-elektroda istovremeno djeluje kao ultrazvučna sonda i elektroda. Sono-elektro postavke projektovane su za skalabilnu obradu tekućina, od laboratorijskog ispitivanja do pilot-pogona i industrijske inline proizvodnje. Ultrazvuk velike snage, mogućnost kontinuiranog rada 24/7, robusnost industrijskog nivoa i nisko održavanje čine Hielscher sono-elektro sisteme idealnim za industrijski sono-elektrovinning.
Linearno povećanje razmjera putem kontrolisanih parametara, kao što su amplituda, unos energije, protok, temperatura i vrijeme zadržavanja, znatno olakšava povećanje proizvodnih kapaciteta.

Sono-elektrovinning u lancu luženje–elektrovinning

U konvencionalnom hidrometalurškom postrojenju elektrovinning se često nalazi nakon luženja, razdvajanja čvrste i tekuće faze, prečišćavanja, a ponekad i ekstrakcije otapalom ili ionske izmjene. Sono-elektrovinning se može integrisati u ovaj nizvodni korak izdvajanja kako bi se intenzivirala pretvorba otopljenih metalnih jona u čvrsti metal.

Tipičan tok procesa može izgledati ovako:

1. Usitnjena ruda, koncentrat, jalovina ili sekundarna sirovina luži se kako bi se otopio ciljni metal.
2. Netopiva jalovina, preostale čvrste tvari i neželjene faze uklanjaju se ili smanjuju.
3. Bogata otopina za luženje hemijski se podešava za selektivni elektrovinning.
4. Elektrolit se dovodi u ćeliju za elektrovinning opremljenu sono-elektrodama i cirkulacijom.
5. Ultrazvučna obrada poboljšava transport jona i obnavljanje površine elektrode, dok primijenjena struja taloži metal na katodi.
6. Metalni proizvod se skida, a elektrolit se reciklira ili šalje na daljnju obradu.

Ova kombinacija je posebno zanimljiva tamo gdje industrija ekstrakcije metala treba obrađivati zahtjevnije resurse. Mnoge buduće sirovine sadrže niži sadržaj metala, više nečistoća, finije čestice, miješane hemijske sastave ili promjenjiv sastav. Sono-elektrovinning nudi način da se korak elektrohemijskog izdvajanja učini robusnijim poboljšanjem interakcije između elektrolita i površine elektrode.

Sono-elektrohemijsko izdvajanje metala: veći prinosi uz niže troškove procesa

Elektrovinning je već kamen temeljac hidrometalurgije jer može izdvajati metale iz vodenih otopina kao vrijedne čvrste proizvode. Sono-elektrovinning poboljšava konvencionalnu elektroekstrakciju poboljšanjem efikasnosti izdvajanja, strujne efikasnosti i potrošnje energije.
Sinergijski efekti ultrazvuka velike snage i elektrovinninga rješavaju fizička ograničenja elektrohemijske granice faza i podržavaju intenzivnije, kontrolisanije i potencijalno efikasnije izdvajanje metala. Za rudarske, reciklažne i metalurške operacije ova tehnologija pomaže premostiti jaz između sve složenijih sirovina i potrebe za čišćim, selektivnijim postupcima ekstrakcije većeg kapaciteta.

Sono-elektrovinning kao alat za intenzifikaciju procesa

Budućnost ekstrakcije metala ovisit će o izdvajanju više metala iz težih resursa. Rude visokog sadržaja metala opadaju u mnogim regijama, dok potražnja za bakrom, niklom, kobaltom, metalima povezanim s litijem, plemenitim metalima i rijetkim elementima raste. Istovremeno industrija proširuje fokus s primarnih ruda na sekundarne resurse, kao što su istrošene baterije, elektronski otpad, katalizatori, industrijski ostaci i procesne vode.
Sono-elektrovinning nudi uvjerljivu strategiju intenzifikacije procesa za ovaj okvir. Kombinirajući selektivnost elektrohemijskog izdvajanja metala s moći ultrazvučne kavitacije na granici faza, može poboljšati prijenos mase, aktivnost elektrode, morfologiju taloga i robusnost procesa. Za industrijske operatere to znači jači put od izluženih metalnih jona do metalnog proizvoda koji se može povratiti.
Kratko rečeno, sono-elektrovinning pretvara površinu katode u dinamičniju reakcijsku zonu. Ultrazvučna obrada održava elektrohemijsku granicu faza aktivnom; elektrohemija pretvara otopljene jone u metal; a zajedno stvaraju snažnu platformu za modernu hidrometaluršku ekstrakciju.

Visokoučinkovite sono-elektrosonde i SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics je vaš dugogodišnji iskusni partner za visokoučinkovite ultrazvučne sisteme. Proizvodimo i distribuiramo najsavremenije ultrazvučne sonde i reaktore, koji se širom svijeta koriste za zahtjevne primjene u zahtjevnim okruženjima. Za sonoelektrohemiju je Hielscher razvio posebne ultrazvučne sonde, koje mogu djelovati kao katoda i/ili anoda, kao i ultrazvučne reaktorske ćelije pogodne za elektrohemijske reakcije. Ultrazvučne elektrode i ćelije dostupne su za galvanske / voltaične, kao i za elektrolitičke sisteme.

Kontaktirajte nas odmah i recite nam o zahtjevima vašeg elektrohemijskog procesa! Preporučit ćemo vam najprikladnije ultrazvučne elektrode i postavku reaktora!
 

Literatura / reference

• 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