Sono-elektrolytické získávání pro průmyslovou extrakci kovů

Vzhledem k tomu, že celosvětová poptávka po mědi, niklu, kobaltu, zinku, stříbře, zlatě, vzácných kovech a materiálech významných pro baterie nadále roste, jsou výrobci kovů pod tlakem získávat více hodnoty z rud, koncentrátů, odpadů z úpravy rud, recyklovaných toků a nízkoprocentních surovin. V hydrometalurgii je jednou z nejzavedenějších cest získávání kovů elektrolytické získávání kovů, známé také jako elektroextrakce: rozpuštěné ionty kovu se z loužicího roztoku získávají působením elektrického proudu, který ionty redukuje a vylučuje kov na katodě.

Sono-elektrolytické získávání kovů pro zlepšenou hydrometalurgickou výtěžnost kovů

Sono-elektrolytické 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. Namísto spoléhání se pouze na elektrický potenciál a konvenční cirkulaci elektrolytu vnáší sono-elektrolytické získávání kovů intenzivní lokální míchání přímo na rozhraní elektrody nebo do jeho blízkosti, kde ve skutečnosti dochází k vylučování kovu. Podle široce publikovaných poznatků ultrazvuk zlepšuje transport hmoty, narušuje difuzní vrstvu, čistí povrchy elektrod, odstraňuje plynové bubliny a podporuje vyšší rychlosti elektrochemických reakcí.

Sono-elektro-sondy: 2 ultrazvukové měniče rozkmitávají anodu, resp. katodu. Sono-elektrody neboli sono-elektro-sondy působí současně jako elektrody a ultrazvukové sondy pro efektivnější elektrolytické získávání kovů.

Od rudy ke katodě: jak funguje sono-elektrodepozice

Průmyslové elektrolytické získávání kovů obvykle začíná loužením. V tomto předřazeném kroku se cílový kov rozpouští z rudy, koncentrátu, procesního zbytku, strusky, černé hmoty, elektronického odpadu nebo jiné metalurgické suroviny do vodného roztoku. V závislosti na kovu a chemickém složení rudy může být loužicí činidlo kyselé, alkalické, na bázi chloridů, na bázi síranů, na bázi kyanidů, amoniakální, na bázi organických kyselin nebo jinak chemicky přizpůsobené k rozpuštění cenné kovové fáze.
Po loužení se obohacený výluh běžně čiří, čistí a upravuje z hlediska pH, vodivosti, teploty, koncentrace kovu a profilu nečistot. V elektrolytické cele protéká tento elektrolyt obsahující kov mezi anodou a katodou. Při přivedení řízeného proudu rozpuštěné ionty kovu migrují a redukují se na povrchu katody, kde vytvářejí pevný kovový depozit. Při sono-elektrolytickém získávání kovů se do tohoto elektrochemického prostředí vnáší ultrazvuk, takže akustická energie intenzifikuje transport iontů a obnovu mezní vrstvy u elektrody.

Zjednodušeně řečeno probíhá proces v tomto sledu:

• Loužení: Cenné kovy se rozpouštějí z rudy nebo druhotné suroviny do roztoku.
• Úprava roztoku: Výluh se čistí nebo upravuje za účelem zlepšení selektivity a průběhu vylučování.
• Sono-elektrochemická depozice: Ultrazvuk a elektrický proud působí v elektrolytické cele současně.
• Získání katodového produktu: Kovové depozity se v závislosti na návrhu procesu sklízejí ve formě plechů, prášku, houby, fólie nebo jiných forem depozitu.
• Recirkulace elektrolytu: Ochuzený elektrolyt lze regenerovat, recyklovat nebo vrátit do hydrometalurgického okruhu.

Proč sonikace zlepšuje elektrolytické získávání kovů

Hlavním úzkým místem mnoha systémů pro elektrolytické získávání kovů není pouze samotná elektrická reakce. Je jím přísun čerstvých iontů kovu k povrchu katody, odvod reakčních produktů a plynových bublin a udržování aktivního, čistého a homogenního rozhraní elektrody. Ultrazvuk tato omezení přímo řeší.
Když vysoce výkonný ultrazvuk vstoupí do elektrolytu, vytváří akustickou kavitaci: mikroskopické bubliny vznikají, oscilují a kolabují. Tyto kolapsy generují mikrotrysky, rázové vlny a intenzivní lokální smyk. Při zpracování v kapalné fázi to může vést k lokálnímu míchání, mikromíchání, dispergaci, deaglomeraci a urychlenému mezifázovému transportu.
Ultrazvuková a sono-elektro-technologie Hielscher je zaměřena na řízenou akustickou kavitaci pro zpracování kapalin, při níž ultrazvukové vlny vytvářejí kavitační pole, která produkují smyk, rázové vlny, mikrotrysky a reprodukovatelný přenos energie do kapalin, suspenzí a kalů.
Při elektrolytickém získávání kovů jsou tyto účinky obzvláště cenné, protože elektrochemická reakce probíhá na povrchu. Ultrazvuk může snižovat koncentrační gradienty v blízkosti elektrody, stlačovat nebo narušovat difuzní vrstvu a nepřetržitě přivádět čerstvé ionty kovu ke katodě. Nedávné práce o ultrazvukem zesíleném elektrochemickém transportu hmoty popisují zvýšení proudu díky stlačení difuzní vrstvy vyvolanému akustickým prouděním, zatímco výzkum ultrazvukem podporované elektrodepozice uvádí zlepšený transport iontů díky kavitaci, mikroproudění a účinkům akustického tlaku.

Synergie: sonikace a elektrochemie

Výhoda sono-elektrolytického získávání kovů nespočívá pouze v tom, že ultrazvuk „míchá“ roztok. Sono-elektro-sondy Hielscher kombinují ultrazvukové sondy a elektrody, které současně vnášejí do elektrochemického systému vysoce intenzivní ultrazvuk a elektrický proud. Klíčem je přitom synergické spojení dvou energetických polí: elektrická energie pohání redukci iontů kovu, zatímco akustická energie zlepšuje fyzikální a mezifázové podmínky, za nichž tato reakce probíhá.
Tato synergie může přinést několik průmyslově významných výhod:

• Vyšší přenos hmoty: Sonikace zlepšuje přísun rozpuštěných iontů kovu k povrchu katody a snižuje lokální ochuzení.
• Čistší povrchy elektrod: Kavitace a akustické proudění pomáhají odstraňovat pasivační filmy, volně ulpělé částice, plynové bubliny a reakční produkty.
• Potenciál vyšší proudové účinnosti: Aktivnější rozhraní elektrody může snížit ztráty spojené s koncentrační polarizací a blokováním povrchu, ačkoli výsledná účinnost závisí na chemickém složení elektrolytu a provozních parametrech.
• Rovnoměrnější depozice: Ultrazvukem podporovaná elektrodepozice je spojována s hladšími, hutnějšími a rovnoměrnějšími depozity a jemnější zrnitou strukturou.
• Rychlejší kinetika elektrodepozice: Zlepšený přenos hmoty a aktivace povrchu mohou za optimalizovaných podmínek umožnit vyšší rychlosti depozice.
• Menší difuzní omezení: Narušením mezní vrstvy na elektrodě může ultrazvuk podporovat konzistentnější depozici i při relativně nízkých koncentracích kovů.
• Lepší zvládání komplexních elektrolytů: Ultrazvukové míchání může podporovat zpracování suspenzí, jemných částic a obtížných výluhů tím, že zlepšuje disperzi a omezuje lokální stagnaci.

Díky tomu je sono-elektrolytické získávání kovů obzvláště atraktivní pro hydrometalurgické okruhy, v nichž je konvenční elektrolytické získávání kovů omezeno pomalou kinetikou, špatnou morfologií depozitu, koncentrační polarizací, zanášením elektrod, pokrytím plynovými bublinami nebo nízkou koncentrací iontů kovu.

Konvenční vs. sonoelektrochemická rychlost rozpouštění Pt elektrod.
Studie a grafy: ©Vasile et al., 2021

Průmyslové přínosy pro extrakci kovů

Při průmyslové extrakci kovů spočívá hodnota sono-elektrolytického získávání v intenzifikaci procesu. Za kratší dobu lze potenciálně získat více kovu se zlepšenou morfologií depozitu a stabilnějším provozem cely, pokud jsou výkon sonikace, geometrie elektrod, složení elektrolytu a proudová hustota správně sladěny.

V praxi sono-elektrolytické získávání kovů podporuje:

• Získávání z nízkoprocentních výluhů: Lepší přenos hmoty může pomoci udržet depozici, když koncentrace rozpuštěných kovů nejsou ideální.
• Vyšší kvalita katod: Hladší a rovnoměrnější depozity mohou zjednodušit navazující stahování, tavení, rafinaci nebo manipulaci s práškem.
• Nižší sklon k zanášení: Nepřetržitá obnova povrchu může snížit vliv pasivace a nežádoucích povrchových filmů.
• Kompaktnější návrh procesu: Rychlejší kinetika může v závislosti na chemii procesu umožnit menší cely nebo vyšší průchodnost.
• Lepší získávání z druhotných zdrojů: Černá hmota z baterií, elektronický odpad, katalyzátory, strusky a průmyslové zbytky často vytvářejí komplexní výluhy, u nichž je intenzifikovaný přenos hmoty cenný.
• Lepší řiditelnost procesu: Moderní ultrazvukové systémy lze integrovat do vsádkových nebo kontinuálních inline uspořádání a ladit pomocí amplitudy, doby zdržení, průtoku, teploty a vstupní energie.

Sono-elektro-systémy Hielscher jsou jedinečné: sono-elektroda působí současně jako ultrazvuková sonda a elektroda. Sono-elektro-uspořádání jsou navržena pro škálovatelné zpracování kapalin od laboratorních zkoušek přes pilotní provoz až po průmyslovou inline výrobu. Vysoce výkonný ultrazvuk, schopnost nepřetržitého provozu 24/7, robustnost průmyslové třídy a nízká údržba činí sono-elektro-systémy Hielscher ideálními pro průmyslové sono-elektrolytické získávání kovů.
Lineární zvětšování měřítka prostřednictvím řízených parametrů, jako jsou amplituda, vstupní energie, průtok, teplota a doba zdržení, výrazně usnadňuje zvyšování výrobních kapacit.

Sono-elektrolytické získávání kovů v řetězci loužení–elektrolytické získávání

V konvenčním hydrometalurgickém závodě je elektrolytické získávání kovů často zařazeno za loužení, separaci pevné a kapalné fáze, čištění a někdy extrakci rozpouštědlem nebo iontovou výměnu. Sono-elektrolytické získávání lze integrovat do tohoto navazujícího kroku získávání, aby se intenzifikovala přeměna rozpuštěných iontů kovu na pevný kov.

Typický postup procesu může vypadat takto:

1. Drcená ruda, koncentrát, odpady z úpravy rud nebo druhotná surovina se louží, aby se rozpustil cílový kov.
2. Nerozpustná hlušina, zbytkové pevné látky a nežádoucí fáze se odstraní nebo omezí.
3. Obohacený výluh se chemicky upraví pro selektivní elektrolytické získávání kovů.
4. Elektrolyt se přivádí do elektrolytické cely vybavené sono-elektrodami a cirkulací.
5. Sonikace zlepšuje transport iontů a obnovu povrchu elektrody, zatímco přiváděný proud vylučuje kov na katodě.
6. Kovový produkt se sklidí a elektrolyt se recykluje nebo odvádí k dalšímu zpracování.

Tato kombinace je obzvláště zajímavá tam, kde průmysl těžby kovů potřebuje zpracovávat náročnější zdroje. Mnoho budoucích surovin obsahuje nižší obsahy kovů, více nečistot, jemnější částice, smíšené chemické složení nebo proměnlivé složení. Sono-elektrolytické získávání kovů nabízí cestu, jak učinit elektrochemický krok získávání robustnějším díky zlepšení interakce mezi elektrolytem a povrchem elektrody.

Sono-elektrochemické získávání kovů: vyšší výtěžky při nižších procesních nákladech

Elektrolytické získávání kovů je již základním kamenem hydrometalurgie, protože umožňuje získávat kovy z vodných roztoků jako vysoce hodnotné pevné produkty. Sono-elektrolytické získávání zlepšuje konvenční elektroextrakci tím, že zlepšuje účinnost výtěžnosti, proudovou účinnost a spotřebu energie.
Synergické účinky výkonového ultrazvuku a elektrolytického získávání řeší fyzikální omezení elektrochemického rozhraní a podporují intenzivnější, řízenější a potenciálně účinnější získávání kovů. Pro těžební, recyklační a metalurgické provozy pomáhá tato technologie překlenout propast mezi stále složitějšími surovinami a potřebou čistších a selektivnějších extrakčních cest s vyšší průchodností.

Sono-elektrolytické získávání kovů jako nástroj intenzifikace procesů

Budoucnost extrakce kovů bude záviset na získávání většího množství kovů z obtížnějších zdrojů. Bohatých rud v mnoha regionech ubývá, zatímco poptávka po mědi, niklu, kobaltu, kovech souvisejících s lithiem, drahých kovech a vzácných prvcích roste. Průmysl zároveň rozšiřuje své zaměření z primárních rud na druhotné zdroje, jako jsou použité baterie, elektronický šrot, katalyzátory, průmyslové zbytky a procesní vody.
Sono-elektrolytické získávání kovů nabízí pro tuto situaci přesvědčivou strategii intenzifikace procesů. Spojením selektivity elektrochemického získávání kovů s mezifázovou silou ultrazvukové kavitace může zlepšit přenos hmoty, aktivitu elektrod, morfologii depozitu a robustnost procesu. Pro průmyslové provozovatele to znamená silnější cestu od vyloužených iontů kovu ke získatelnému kovovému produktu.
Stručně řečeno, sono-elektrolytické získávání kovů mění povrch katody v dynamičtější reakční zónu. Sonikace udržuje elektrochemické rozhraní aktivní; elektrochemie přeměňuje rozpuštěné ionty na kov; a společně vytvářejí výkonnou platformu pro moderní hydrometalurgickou extrakci.

Vysoce výkonné sono-elektro-sondy a sonoelektroreaktory

Hielscher Ultrasonics je vaším dlouholetým zkušeným partnerem pro vysoce výkonné ultrazvukové systémy. Vyrábíme a distribuujeme špičkové ultrazvukové sondy a reaktory, které se po celém světě používají pro aplikace s vysokým zatížením v náročných prostředích. Pro sonoelektrochemii vyvinula společnost Hielscher speciální ultrazvukové sondy, které mohou fungovat jako katoda a/nebo anoda, a také ultrazvukové reaktorové cely vhodné pro elektrochemické reakce. Ultrazvukové elektrody a cely jsou k dispozici pro galvanické / voltaické i elektrolytické systémy.

Kontaktujte nás nyní a sdělte nám své požadavky na elektrochemický proces! Doporučíme vám nejvhodnější ultrazvukové elektrody a uspořádání reaktoru!
 

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