Sono-elektrolytisk metaludvinding til industriel metalekstraktion

Efterhånden som den globale efterspørgsel efter kobber, nikkel, kobolt, zink, sølv, guld, sjældne metaller og materialer med relevans for batterier fortsætter med at stige, er metalproducenter under pres for at genvinde mere værdi fra malme, koncentrater, mineaffald, genanvendelsesstrømme og råmaterialer med lavt metalindhold. Inden for hydrometallurgi er en af de mest veletablerede metoder til metalgenvinding elektrolytisk metaludvinding, også kendt som elektroekstraktion: opløste metalioner genvindes fra en udludningsopløsning ved at tilføre en elektrisk strøm, som reducerer ionerne og afsætter metallet på en katode.

Sono-elektrolytisk metaludvinding til forbedret hydrometallurgisk metalgenvinding

Sono-elektrolytisk metaludvinding videreudvikler dette princip ved at kombinere elektrolytisk metaludvinding med ultralyd med høj intensitet. Resultatet er en sonoelektrokemisk proces, hvor akustisk kavitation, mikrostrømninger og elektrokemisk reduktion virker sammen. I stedet for udelukkende at være baseret på elektrisk potentiale og konventionel elektrolytcirkulation tilfører sono-elektrolytisk metaludvinding intens lokal blanding direkte ved eller nær elektrodens grænseflade, hvor metalaflejringen faktisk finder sted. Det er bredt rapporteret, at ultralyd forbedrer stoftransporten, forstyrrer diffusionslaget, renser elektrodeoverflader, fjerner gasbobler og understøtter højere elektrokemiske reaktionshastigheder.

Sono-elektrosonder: 2 ultralydstransducere sætter henholdsvis anoden og katoden i vibration. Sono-elektroderne eller sono-elektrosonderne fungerer samtidig som elektroder og ultralydssonder til forbedret elektrolytisk metaludvinding.

Fra malm til katode: Sådan fungerer sono-elektroaflejring

Industriel elektrolytisk metaludvinding begynder normalt med udludning. I dette forudgående trin opløses det ønskede metal fra malm, koncentrat, procesrester, slagge, sort masse, elektronikaffald eller andet metallurgisk råmateriale i en vandig opløsning. Afhængigt af metallets og malmens kemi kan udludningsmidlet være surt, alkalisk, chloridbaseret, sulfatbaseret, cyanidbaseret, ammoniakholdigt, baseret på organiske syrer eller på anden måde kemisk tilpasset til at opløse den værdifulde metalfase.
Efter udludning bliver den metalberigede udludningsopløsning almindeligvis klaret, renset og justeret med hensyn til pH, ledningsevne, temperatur, metalkoncentration og urenhedsprofil. I cellen til elektrolytisk metaludvinding strømmer denne metalholdige elektrolyt mellem en anode og en katode. Når der tilføres en kontrolleret strøm, vandrer opløste metalioner og reduceres ved katodeoverfladen, hvor de danner en fast metallisk aflejring. Ved sono-elektrolytisk metaludvinding tilføres ultralyd til dette elektrokemiske miljø, så akustisk energi intensiverer transporten af ioner og fornyelsen af elektrodens grænselag.

Enkelt beskrevet er procesforløbet som følger:

• Udludning: Værdifulde metaller opløses fra malm eller sekundært råmateriale i en opløsning.
• Konditionering af opløsningen: Udludningsvæsken renses eller justeres for at forbedre selektiviteten og aflejringsforløbet.
• Sono-elektrokemisk aflejring: Ultralyd og elektrisk strøm virker samtidig i cellen til elektrolytisk metaludvinding.
• Genvinding fra katoden: Metalaflejringer udtages som plader, pulver, svamp, folie eller andre aflejringsformer afhængigt af procesudformningen.
• Recirkulation af elektrolyt: Den metaludpinte elektrolyt kan regenereres, genanvendes eller føres tilbage til det hydrometallurgiske kredsløb.

Hvorfor sonikering forbedrer elektrolytisk metaludvinding

Den primære flaskehals i mange systemer til elektrolytisk metaludvinding er ikke kun selve den elektriske reaktion. Det er tilførslen af friske metalioner til katodeoverfladen, fjernelsen af reaktionsprodukter og gasbobler samt opretholdelsen af en aktiv, ren og homogen elektrodegrænseflade. Ultralyd afhjælper disse begrænsninger direkte.
Når ultralyd med høj effekt tilføres elektrolytten, skaber den akustisk kavitation: mikroskopiske bobler dannes, oscillerer og kollapser. Disse kollaps genererer mikrostråler, chokbølger og intens lokal forskydning. Ved behandling i væskefasen kan dette frembringe lokal blanding, mikroblanding, dispergering, deagglomerering og accelereret transport ved grænseflader.
Hielschers ultralyds- og sono-elektroteknologi er baseret på kontrolleret akustisk kavitation til væskebehandling, hvor ultralydsbølger genererer kavitationsfelter, der frembringer forskydning, chokbølger, mikrostråler og reproducerbar energioverførsel til væsker, suspensioner og opslæmninger.
Ved elektrolytisk metaludvinding er disse effekter særligt værdifulde, fordi den elektrokemiske reaktion finder sted ved en overflade. Ultralyd kan reducere koncentrationsgradienter nær elektroden, komprimere eller bryde diffusionslaget og kontinuerligt tilføre friske metalioner til katoden. Nyere arbejde om ultralydsforstærket elektrokemisk stoftransport beskriver en øget strøm gennem komprimering af diffusionslaget drevet af akustiske strømninger, mens forskning i ultralydsassisteret elektroaflejring rapporterer forbedret iontransport gennem kavitation, mikrostrømning og akustiske trykeffekter.

Synergien: Sonikering plus elektrokemi

Fordelen ved sono-elektrolytisk metaludvinding er ikke blot, at ultralyd “omrører” opløsningen. Hielscher Sono-Electro-Probes kombinerer ultralydssonder og elektroder, der samtidig tilfører ultralyd med høj intensitet og elektrisk strøm til et elektrokemisk system. Her er nøglen den synergistiske kobling af to energifelter: elektrisk energi driver metalionernes reduktionsreaktion, mens akustisk energi forbedrer de fysiske forhold og grænsefladeforholdene, hvorunder denne reaktion finder sted.
Denne synergi kan skabe flere industrielt relevante fordele:

• Øget stofoverførsel: Sonikering forbedrer tilførslen af opløste metalioner til katodeoverfladen og reducerer dermed lokal udtømning.
• Renere elektrodeoverflader: Kavitation og akustiske strømninger hjælper med at fjerne passiverende film, løstsiddende partikler, gasbobler og reaktionsprodukter.
• Potentiale for forbedret strømudbytte: En mere aktiv elektrodegrænseflade kan reducere tab forbundet med koncentrationspolarisering og overfladeblokering, selvom det endelige udbytte afhænger af elektrolyttens kemi og driftsparametrene.
• Mere ensartet aflejring: Ultralydsassisteret elektroaflejring er blevet forbundet med glattere, tættere og mere ensartede aflejringer samt finere kornstrukturer.
• Hurtigere elektroaflejringskinetik: Forbedret stofoverførsel og overfladeaktivering kan muliggøre højere aflejringshastigheder under optimerede forhold.
• Reducerede diffusionsbegrænsninger: Ved at forstyrre grænselaget ved elektroden kan ultralyd understøtte mere stabil aflejring, selv når metalkoncentrationerne er relativt lave.
• Bedre håndtering af komplekse elektrolytter: Ultralydsomrøring kan understøtte behandlingen af suspensioner, fine partikler og vanskelige udludningsvæsker ved at forbedre dispergeringen og reducere lokal stagnation.

Dette gør sono-elektrolytisk metaludvinding særligt attraktiv for hydrometallurgiske kredsløb, hvor konventionel elektrolytisk metaludvinding begrænses af langsom kinetik, dårlig aflejringsmorfologi, koncentrationspolarisering, belægninger på elektroderne, dækning med gasbobler eller lav metalionkoncentration.

Konventionelle kontra sonoelektrokemiske opløsningshastigheder for Pt-elektroder.
Undersøgelse og grafer: ©Vasile et al., 2021

Industrielle fordele ved metalekstraktion

Ved industriel ekstraktion af metaller ligger værdien af sono-elektrolytisk metaludvinding i procesintensivering. Mere metal kan potentielt genvindes på kortere tid med forbedret aflejringsmorfologi og mere stabil celledrift, forudsat at sonikeringseffekt, elektrodegeometri, elektrolytsammensætning og strømtæthed er korrekt afstemt.

I praksis understøtter sono-elektrolytisk metaludvinding:

• Genvinding fra udludningsvæsker med lavt metalindhold: Bedre stofoverførsel kan hjælpe med at opretholde aflejringen, når koncentrationerne af opløste metaller ikke er ideelle.
• Forbedret katodekvalitet: Glattere og mere ensartede aflejringer kan forenkle efterfølgende fjernelse af metallet fra katoden, smeltning, raffinering eller pulverhåndtering.
• Mindre tendens til belægningsdannelse: Kontinuerlig overfladefornyelse kan reducere påvirkningen fra passivering og uønskede overfladefilm.
• Mere kompakt procesudformning: Hurtigere kinetik kan muliggøre mindre celler eller højere gennemløb afhængigt af proceskemien.
• Forbedret genvinding fra sekundære ressourcer: Sort masse fra batterier, elektronikaffald, katalysatorer, slagger og industrielle restprodukter giver ofte komplekse udludningsopløsninger, hvor intensiveret stofoverførsel er værdifuld.
• Bedre processtyrbarhed: Moderne ultralydssystemer kan integreres i batchopstillinger eller kontinuerlige inline-opstillinger og justeres via amplitude, opholdstid, strømningshastighed, temperatur og energitilførsel.

Hielschers sono-elektrosystemer er unikke: Sono-elektroden fungerer samtidig som ultralydssonde og elektrode. Sono-elektroopstillingerne er udviklet til skalerbar væskebehandling fra laboratorietest til pilotdrift og industriel inline-produktion. Ultralyd med høj effekt, mulighed for kontinuerlig drift 24/7, robusthed til industriel brug og lavt vedligeholdelsesbehov gør Hielschers sono-elektrosystemer ideelle til industriel sono-elektrolytisk metaludvinding.
Lineær opskalering gennem kontrollerede parametre som amplitude, energitilførsel, strømningshastighed, temperatur og opholdstid letter en forøgelse af produktionskapaciteten betydeligt.

Sono-elektrolytisk metaludvinding i kæden udludning–elektrolytisk metaludvinding

I et konventionelt hydrometallurgisk anlæg er elektrolytisk metaludvinding ofte placeret efter udludning, faststof-væske-separation, rensning og undertiden solventekstraktion eller ionbytning. Sono-elektrolytisk metaludvinding kan integreres i dette efterfølgende genvindingstrin for at intensivere omdannelsen af opløste metalioner til fast metal.

Et typisk procesforløb kan se sådan ud:

1. Knust malm, koncentrat, mineaffald eller sekundært råmateriale udludes for at opløse det ønskede metal.
2. Uopløselig gangart, resterende faste stoffer og uønskede faser fjernes eller reduceres.
3. Den metalberigede udludningsopløsning justeres kemisk til selektiv elektrolytisk metaludvinding.
4. Elektrolytten tilføres en celle til elektrolytisk metaludvinding, som er udstyret med sono-elektroder og cirkulation.
5. Sonikering forbedrer iontransporten og fornyelsen af elektrodeoverfladen, mens den tilførte strøm afsætter metallet på katoden.
6. Metalproduktet udtages, og elektrolytten genanvendes eller sendes til yderligere behandling.

Denne kombination er særligt interessant, hvor metalekstraktionsindustrien skal behandle mere udfordrende ressourcer. Mange fremtidige råmaterialer har lavere metalindhold, flere urenheder, finere partikler, blandede kemiske systemer eller varierende sammensætning. Sono-elektrolytisk metaludvinding giver en mulighed for at gøre det elektrokemiske genvindingstrin mere robust ved at forbedre samspillet mellem elektrolytten og elektrodeoverfladen.

Sono-elektrokemisk metalgenvinding: Højere udbytter ved lavere procesomkostninger

Elektrolytisk metaludvinding er allerede en hjørnesten i hydrometallurgien, fordi den kan genvinde metaller fra vandige opløsninger som faste produkter af høj værdi. Sono-elektrolytisk metaludvinding forbedrer konventionel elektroekstraktion ved at forbedre genvindingseffektiviteten, strømudbyttet og energiforbruget.
De synergistiske effekter af ultralyd med høj effekt og elektrolytisk metaludvinding afhjælper de fysiske begrænsninger ved den elektrokemiske grænseflade og understøtter mere intensiv, kontrolleret og potentielt mere effektiv metalgenvinding. Ved minedrift, genanvendelse og metallurgiske aktiviteter hjælper teknologien med at bygge bro mellem stadig mere komplekse råmaterialer og behovet for renere og mere selektive ekstraktionsmetoder med højere gennemløb.

Sono-elektrolytisk metaludvinding som værktøj til procesintensivering

Fremtidens metalekstraktion vil afhænge af at genvinde mere metal fra vanskeligere ressourcer. Malme med højt metalindhold bliver færre i mange regioner, mens efterspørgslen efter kobber, nikkel, kobolt, metaller relateret til lithium, ædelmetaller og sjældne grundstoffer stiger. Samtidig udvider industrien sit fokus fra primære malme til sekundære ressourcer som udtjente batterier, elektronikskrot, katalysatorer, industrielle restprodukter og procesvand.
Sono-elektrolytisk metaludvinding tilbyder en overbevisende strategi for procesintensivering under disse forhold. Ved at kombinere selektiviteten ved elektrokemisk metalgenvinding med ultralydskavitationens virkning ved grænseflader kan den forbedre stofoverførsel, elektrodeaktivitet, aflejringsmorfologi og procesrobusthed. For industrielle operatører betyder dette en stærkere vej fra udludede metalioner til et metalprodukt, der kan genvindes.
Kort sagt gør sono-elektrolytisk metaludvinding katodeoverfladen til en mere dynamisk reaktionszone. Sonikering holder den elektrokemiske grænseflade aktiv; elektrokemi omdanner opløste ioner til metal; og sammen skaber de en effektiv platform for moderne hydrometallurgisk ekstraktion.

Højtydende Sono-Electro-Probes og SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics er din partner med mange års erfaring inden for højtydende ultralydssystemer. Vi fremstiller og distribuerer ultralydssonder og reaktorer med den nyeste teknologi, som anvendes verden over til krævende anvendelser i udfordrende miljøer. Til sonoelektrokemi har Hielscher udviklet særlige ultralydssonder, der kan fungere som katode og/eller anode, samt ultralydsreaktorceller, der er egnede til elektrokemiske reaktioner. Ultralydselektroder og -celler fås til både galvaniske / voltaiske og elektrolytiske systemer.
 

Kontakt os nu, og fortæl os om kravene til din elektrokemiske proces! Vi anbefaler dig de bedst egnede ultralydselektroder og den bedst egnede reaktoropstilling!
 

Litteratur / referencer

• 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