Sonoelektrolýza pro průmyslovou extrakci kovů

Vzhledem k tomu, že celosvětová poptávka po mědi, niklu, kobaltu, zinku, stříbře, zlatě, vzácných kovech a materiálech pro výrobu baterií neustále roste, jsou výrobci kovů pod tlakem, aby z rud, koncentrátů, hlušiny, recyklovaných materiálů a surovin s nízkým obsahem kovu získávali větší hodnotu. V hydrometalurgii je jednou z nejrozšířenějších metod získávání kovů elektrolytické získávání, známé také jako elektroextrakce: rozpuštěné kovové ionty se získávají z loužicího roztoku pomocí elektrického proudu, který ionty redukuje a ukládá kov na katodu.

Sonoelektrolýza pro zvýšení výtěžnosti kovů hydrometalurgickým způsobem

Sonoelektrolytické získávání kovů rozvíjí tento princip kombinací elektrolytického získávání s vysoce intenzivním ultrazvukem. Výsledkem je sonoelektrochemický proces, v němž společně působí akustická kavitace, mikroproudění a elektrochemická redukce. Místo toho, aby se spoléhalo pouze na elektrický potenciál a konvenční cirkulaci elektrolytu, zavádí sonoelektrolytické získávání intenzivní lokální míchání přímo na rozhraní elektrody nebo v jeho blízkosti, kde skutečně dochází k ukládání kovu. O ultrazvuku je široce známo, že zvyšuje hromadný transport, narušuje difúzní vrstvu, čistí povrchy elektrod, odstraňuje plynové bubliny a podporuje vyšší elektrochemické rychlosti.

Sonoelektro-sondy: Dva ultrazvukové měniče rozechvívají anodu, respektive katodu. Sonoelektrody neboli sonoelektro-sondy fungují současně jako elektrody i jako ultrazvukové sondy, čímž se zlepšuje proces elektrolytického získávání.

Od rudy po katodu: Jak funguje sonoelektrolytické pokovování

Průmyslová elektrolytická extrakce obvykle začíná loužením. V této počáteční fázi se cílový kov rozpouští z rudy, koncentrátu, zbytků z výroby, strusky, černé hmoty, elektronického odpadu nebo jiné metalurgické suroviny do vodného roztoku. V závislosti na chemickém složení kovu a rudy může být louh kyselý, zásaditý, na bázi chloridů, síranů, kyanidů, amoniaku, organických kyselin nebo jinak chemicky upravený tak, aby rozpustil cennou kovovou fázi.
Po vyluhování se vyluhovaný roztok obvykle vyčeří, vyčistí a upraví z hlediska pH, vodivosti, teploty, koncentrace kovů a složení nečistot. V elektrolýzní komoře tento elektrolyt obsahující kovy proudí mezi anodou a katodou. Při přivedení řízeného proudu se rozpuštěné kovové ionty přesouvají a na povrchu katody dochází k jejich redukci, kde tvoří pevný kovový nános. Při sonoelektrolytické extrakci se do tohoto elektrochemického prostředí přivádí ultrazvuk, takže akustická energie zesiluje transport iontů a obnovu mezní vrstvy elektrod.

Zjednodušeně řečeno, postup je následující:

• Vyluhování: Cenné kovy se z rudy nebo sekundárních surovin rozpouštějí do roztoku.
• Úprava roztoku: Lúhovací roztok se čistí nebo upravuje za účelem zlepšení selektivity a chování při ukládání.
• Sonoelektrochemické nanášení: V elektrolýzní komoře působí současně ultrazvuk a elektrický proud.
• Regenerace katody: Kovové usazeniny se získávají ve formě plechů, prášku, houby, fólie nebo v jiných podobách, v závislosti na konstrukci procesu.
• Recirkulace elektrolytu: Vyčerpaný elektrolyt lze regenerovat, recyklovat nebo vrátit do hydrometalurgického okruhu.

Proč sonikace zlepšuje elektrolytickou extrakci

Hlavním úzkým místem v mnoha systémech elektrolytické výroby není pouze samotná elektrická reakce. Jde o přísun čerstvých kovových iontů na povrch katody, odstraňování reakčních produktů a plynových bublin a udržování aktivního, čistého a homogenního rozhraní elektrody. Ultrazvuk tyto omezení přímo řeší.
Když vysokovýkonný ultrazvuk pronikne do elektrolytu, dochází k akustické kavitaci: vznikají mikroskopické bublinky, které kmitají a praskají. Při jejich praskání vznikají mikroproudy, rázové vlny a intenzivní lokální smykové síly. Při zpracování v kapalné fázi to může vést k lokálnímu míchání, mikromíchání, disperzi, deaglomeraci a zrychlenému mezifázovému transportu.
Ultrazvuková a sonoelektrotechnologie společnosti Hielscher je založena na řízené akustické kavitaci pro zpracování kapalin, přičemž ultrazvukové vlny vytvářejí kavitační pole, která generují smykové síly, rázové vlny, mikroproudy a reprodukovatelný přenos energie do kapalin, suspenzí a kalů.
Při elektrolytické extrakci jsou tyto jevy obzvláště cenné, protože elektrochemická reakce probíhá na povrchu. Ultrazvuk může snížit koncentrační gradienty v blízkosti elektrody, stlačit nebo narušit difúzní vrstvu a nepřetržitě přivádět nové kovové ionty ke katodě. Nedávné práce zabývající se ultrazvukem podporovaným elektrochemickým transportem hmoty popisují zvýšení proudu prostřednictvím komprese difúzní vrstvy poháněné akustickým prouděním, zatímco výzkum ultrazvukem podporované elektrodepozice uvádí zlepšený transport iontů díky kavitaci, mikroproudům a účinkům akustického tlaku.

Synergie: ultrazvuková léčba v kombinaci s elektrochemií

Výhoda sonoelektrolytického získávání nespočívá pouze v tom, že ultrazvuk “míchá” Řešení. Hielscher Sono-Electro-Probes kombinují ultrazvukové sondy a elektrody, které současně přivádějí do elektrochemického systému vysoce intenzivní ultrazvuk a elektrický proud. Klíčem je zde synergické propojení dvou energetických polí: elektrická energie pohání redukční reakci kovových iontů, zatímco akustická energie zlepšuje fyzikální a mezifázové podmínky, za nichž tato reakce probíhá.
Tato synergie může přinést několik výhod významných z průmyslového hlediska:

• Vyšší přenos hmoty: Ultrazvukové ošetření zlepšuje přísun rozpuštěných kovových iontů k povrchu katody, čímž se snižuje lokální vyčerpání.
• Čistší povrchy elektrod: Kavitace a akustické proudění pomáhají odstraňovat pasivační vrstvy, volně ulpěné částice, plynové bubliny a reakční produkty.
• Možnost zvýšení účinnosti proudu: Aktivnější rozhraní elektrody může snížit ztráty spojené s koncentrační polarizací a ucpáváním povrchu, i když konečná účinnost závisí na chemickém složení elektrolytu a provozních parametrech.
• Rovnoměrnější nanášení: Elektrolytické pokovování za pomoci ultrazvuku je spojováno s hladšími, hustšími a rovnoměrnějšími povlaky a jemnější zrnitou strukturou.
• Rychlejší kinetika elektrolytického nanášení: Zlepšený přenos hmoty a aktivace povrchu mohou za optimalizovaných podmínek umožnit vyšší rychlosti nanášení.
• Omezení související se sníženou difúzí: Ultrazvuk, který narušuje mezní vrstvu u elektrody, může přispět k rovnoměrnějšímu nanášení i při relativně nízkých koncentracích kovu.
• Lepší zpracování složitých elektrolytů: Ultrazvukové míchání může usnadnit zpracování suspenzí, jemných částic a obtížně vyluhovatelných roztoků tím, že zlepšuje disperzi a omezuje lokální stagnaci.

Díky tomu je sonoelektrolytická extrakce obzvláště atraktivní pro hydrometalurgické okruhy, kde je konvenční elektrolytická extrakce omezena pomalou kinetikou, nevhodnou morfologií usazenin, koncentrační polarizací, zanášením elektrod, pokrytím plynovými bublinami nebo nízkou koncentrací kovových iontů.

Rychlosti rozpouštění Pt elektrod konvenční metodou a sonoelektrochemickou metodou.
Studie a grafy: ©Vasile et al., 2021

Průmyslové výhody při těžbě kovů

V průmyslové těžbě kovů spočívá přínos sonoelektrolytického získávání v intenzifikaci procesu. Za předpokladu správného sladění výkonu ultrazvuku, geometrie elektrod, složení elektrolytu a proudové hustoty je možné potenciálně získat větší množství kovu v kratším čase, a to při lepší morfologii usazeniny a stabilnějším provozu článků.

Z praktického hlediska se sonoelektrolýza využívá k:

• Získávání z loužicích roztoků s nízkým obsahem: Lepší přenos hmoty může přispět k udržení nanášení i v případě, že koncentrace rozpuštěného kovu nejsou ideální.
• Zlepšená kvalita katody: Hladší a rovnoměrnější nánosy mohou usnadnit následné odstraňování, tavení, rafinaci nebo manipulaci s práškem.
• Nižší sklon k usazování nečistot: Průběžná obnova povrchu může snížit dopad pasivace a nežádoucích povrchových vrstev.
• Kompaktnější návrh procesu: Rychlejší kinetika může umožnit použití menších buněk nebo vyšší propustnost, v závislosti na chemickém složení procesu.
• Zlepšené získávání surovin ze sekundárních zdrojů: Černá hmota z baterií, elektronický odpad, katalyzátory, strusky a průmyslové zbytky často vytvářejí komplexní loužicí roztoky, u nichž je užitečné zintenzivnit přenos hmoty.
• Lepší říditelnost procesu: Moderní ultrazvukové systémy lze integrovat do dávkových nebo kontinuálních inline zařízení a nastavovat pomocí amplitudy, doby zdržení, průtoku, teploty a příkonu.

Sono-elektro-systémy společnosti Hielscher jsou jedinečné: Sono-elektroda funguje současně jako ultrazvuková sonda i elektroda. Sono-elektro-systémy jsou navrženy pro škálovatelné zpracování kapalin, od laboratorních testů přes pilotní provoz až po průmyslovou inline výrobu. Díky vysokovýkonnému ultrazvuku, možnosti nepřetržitého provozu 24 hodin denně, 7 dní v týdnu, průmyslové odolnosti a nízkým nárokům na údržbu jsou sono-elektro-systémy společnosti Hielscher ideální pro průmyslové sono-elektrolytické získávání.
Lineární škálování prostřednictvím řízených parametrů, jako jsou amplituda, příkon energie, průtok, teplota a doba zdržení, významně usnadňuje zvýšení výrobních kapacit.

Sonoelektrolytická extrakce v procesu loužení a elektrolytické extrakce

V konvenčním hydrometalurgickém závodě se elektrolytické získávání kovů často provádí až po vyluhování, separaci pevných látek od kapalin, čištění a někdy i po extrakci rozpouštědlem nebo iontové výměně. Sonoelektrolytické získávání kovů lze začlenit do této následné fáze zpracování, aby se zintenzivnila přeměna rozpuštěných kovových iontů na pevný kov.

Typický postup může vypadat například takto:

1. Drcená ruda, koncentrát, hlušina nebo sekundární surovina se podrobí loužení, aby se cílový kov rozpustil.
2. Nerozpustná hlušina, zbytkové pevné látky a nežádoucí fáze se odstraní nebo jejich množství se sníží.
3. Roztok s obsahem těhotných leachů je chemicky upraven pro selektivní elektrolytickou extrakci.
4. Elektrolyt se přivádí do elektrolýzní komory vybavené sonoelektrodami a cirkulačním systémem.
5. Ultrazvukové ošetření zlepšuje transport iontů a obnovu povrchu elektrody, zatímco přiváděný proud nanáší kov na katodu.
6. Kovový výrobek se vybere a elektrolyt se recykluje nebo se odesílá k dalšímu zpracování.

Tato kombinace je obzvláště zajímavá v případech, kdy musí průmysl těžby kovů zpracovávat náročnější suroviny. Mnohé budoucí suroviny obsahují nižší obsah kovů, více nečistot, jemnější částice, smíšené chemické složení nebo proměnlivé složení. Sonoelektrolytická extrakce nabízí způsob, jak zvýšit odolnost elektrochemického procesu získávání kovů zlepšením interakce mezi elektrolytem a povrchem elektrody.

Sonoelektrochemická regenerace kovů: vyšší výtěžky při nižších nákladech na zpracování

Elektrolytické získávání kovů je již dnes základním kamenem hydrometalurgie, protože umožňuje získávat kovy z vodných roztoků ve formě vysoce hodnotných pevných produktů. Sonoelektrolytické získávání kovů vylepšuje konvenční elektroextrakci tím, že zvyšuje účinnost získávání, proudovou účinnost a snižuje spotřebu energie.
Synergické účinky výkonného ultrazvuku a elektrolytického získávání překonávají fyzikální omezení elektrochemického rozhraní a umožňují intenzivnější, kontrolovanější a potenciálně účinnější získávání kovů. V oblasti těžby, recyklace a metalurgie tato technologie pomáhá překlenout propast mezi stále složitějšími surovinami a potřebou čistších, selektivnějších a výkonnějších způsobů extrakce.

Sonoelektrolýza jako nástroj pro intenzifikaci procesu

Budoucnost těžby kovů bude záviset na tom, zda se podaří získat více kovů z náročnějších surovinových zdrojů. V mnoha regionech dochází k úbytku vysoce kvalitních rud, zatímco poptávka po mědi, niklu, kobaltu, kovech souvisejících s lithiem, drahých kovech a vzácných prvcích roste. Zároveň se průmysl stále více zaměřuje nejen na primární rudy, ale i na sekundární zdroje, jako jsou vyřazené baterie, elektronický šrot, katalyzátory, průmyslové zbytky a procesní vody.
Sono-elektrolytická extrakce představuje v tomto kontextu přesvědčivou strategii pro intenzifikaci procesu. Díky kombinaci selektivity elektrochemické extrakce kovů s mezifázovým účinkem ultrazvukové kavitace může zlepšit přenos hmoty, aktivitu elektrod, morfologii usazenin a robustnost procesu. Pro průmyslové provozovatele to znamená efektivnější cestu od vyluhovaných kovových iontů k získání kovového produktu.
Stručně řečeno, sono-elektrolytické získávání kovů proměňuje povrch katody v dynamičtější reakční zónu. Ultrazvukové ozařování udržuje elektrochemické rozhraní v aktivním stavu; elektrochemický proces přeměňuje rozpuštěné ionty na kov; a společně tak vytvářejí výkonnou platformu pro moderní hydrometalurgickou extrakci.

Vysoce výkonné sonoelektro-sondy a sonoelektro-reaktory

Hielscher Ultrasonics je váš dlouholetý zkušený partner pro vysoce výkonné ultrazvukové systémy. Vyrábíme a distribuujeme nejmodernější ultrazvukové sondy a reaktory, které se používají po celém světě pro náročné aplikace v náročných prostředích. Pro sonoelektrochemii vyvinul Hielscher speciální ultrazvukové sondy, které mohou fungovat jako katoda a/nebo anoda, stejně jako ultrazvukové reaktorové články vhodné pro elektrochemické reakce. Ultrazvukové elektrody a články jsou k dispozici pro galvanické / voltaické i elektrolytické systémy.
 

Kontaktujte nás nyní a sdělte nám své požadavky na elektrochemické procesy! Doporučíme vám nejvhodnější nastavení ultrazvukových elektrod a reaktorů!
 

Literatura / Reference

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Jak zlevnit drahé kovy: Sonoelektrochemická – hydrodynamická kavitační metoda pro recyklaci kovů platinové skupiny z vyřazených automobilových katalyzátorů. Ultrasonics Sonochemistry, svazek 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): Proces Sono-Hydro-Gen (výroba vodíku pomocí ultrazvuku): Výzvy a příležitosti. International Journal of Hydrogen Energy, ročník 44, číslo 29, 2019, 14500–14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): Studie cyklické voltametrie zaměřená na elektrolytické nanášení vrstev slitiny Cu-Zn: vliv doby působení ultrazvukuActa Physica Polonica, sv. 132, 2017, s. 1087–1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): Úvod do sonoelektrochemie V publikaci: „Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution“, první vydání. Editoři: Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, s.r.o.
• Haas, I.: Myšlenky A. (2008): Syntéza nanočástic kovového hořčíku pomocí sonoelektrochemie. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795–1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri, R. (2014): Sonoelektrochemická a elektrochemická syntéza polypyrrolových vrstev na oceli St-12 a studie jejich korozního chování a morfologie. Advances in Polymer Technology, svazek 33, číslo 3; 2014.
• Sonoelektrochemická syntéza zvyšuje efektivitu chemické výroby