Sono-elektrolyse til industriel metaludvinding

I takt med at den globale efterspørgsel efter kobber, nikkel, kobolt, zink, sølv, guld, sjældne metaller og batterirelevante materialer fortsætter med at stige, er metalproducenterne under pres for at udvinde mere værdi fra malm, koncentrater, udvindingsrester, genanvendte materialestrømme og råvarer af lav kvalitet. Inden for hydrometallurgi er elektrovinding, også kendt som elektroekstraktion, en af de mest etablerede metoder til metaludvinding: Opløste metalioner udvindes fra en udvaskningsopløsning ved at påføre en elektrisk strøm, som reducerer ionerne og afsætter metallet på en katode.

Sono-elektrolyse til forbedret hydrometallurgisk metaludvinding

Sono-elektrolyse videreudvikler dette princip ved at kombinere elektrolyse med højintensiv ultralyd. Resultatet er en sonoelektrokemisk proces, hvor akustisk kavitation, mikrostrømning og elektrokemisk reduktion virker sammen. I stedet for udelukkende at basere sig på elektrisk potentiale og konventionel elektrolytcirkulation indfører sono-elektrolyse en intens lokal omrøring direkte ved eller tæt på elektrodeoverfladen, hvor metalaflejringen rent faktisk finder sted. Det er bredt dokumenteret, at ultralyd forbedrer massetransporten, forstyrrer diffusionslaget, renser elektrodeoverfladerne, fjerner gasbobler og understøtter højere elektrokemiske hastigheder.

Sono-elektro-sonder: 2 ultralydstransducere sætter henholdsvis anoden og katoden i bevægelse. Sono-elektroderne eller sono-elektro-sonderne fungerer samtidig som elektroder og ultralydssonder for at forbedre elektrolytisk udvinding.

Fra malm til katode: Sådan fungerer sono-elektrodeponering

Industriel elektrolytisk udvinding begynder normalt med udvaskning. I dette indledende trin opløses målmetallet fra en malm, et koncentrat, et procesrestprodukt, en slagger, en sort masse, elektronikaffald eller andet metallurgisk udgangsmateriale i en vandig opløsning. Afhængigt af metallets og malmens kemiske sammensætning kan udvaskningsmidlet være surt, alkalisk, kloridbaseret, sulfatbaseret, cyanidbaseret, ammoniakholdigt, baseret på organiske syrer eller på anden måde kemisk tilpasset til at opløse den værdifulde metalfase.
Efter udvaskningen klares, renses og justeres den metalholdige udvaskningsopløsning typisk med hensyn til pH, ledningsevne, temperatur, metalkoncentration og urenhedsprofil. I elektrolysecellen strømmer denne metalholdige elektrolyt mellem en anode og en katode. Når der tilføres en kontrolleret strøm, vandrer de opløste metalioner og reduceres ved katodeoverfladen, hvor de danner et fast metallisk aflejring. Ved sono-elektrolyse tilføres ultralyd til dette elektrokemiske miljø, så den akustiske energi intensiverer iontransporten og fornyelsen af elektrodenes grænselag.

Kort sagt er procesforløbet som følger:

• Udvaskning: Ædle metaller opløses fra malm eller sekundære råmaterialer i en opløsning.
• Behandling af opløsningen: Udvaskningsvæsken renses eller justeres for at forbedre selektiviteten og afsætningsadfærden.
• Sono-elektrokemisk afsætning: Ultralyd og elektrisk strøm virker samtidigt i elektrolysecellen.
• Katodeudvinding: Metalaflejringer udvindes i form af plader, pulver, svamp, folie eller andre former, afhængigt af procesudformningen.
• Recirkulation af elektrolyt: Den udtømte elektrolyt kan regenereres, genanvendes eller føres tilbage til det hydrometallurgiske kredsløb.

Hvorfor ultralydsbehandling forbedrer elektrolytisk udvinding

Den største flaskehals i mange elektrolytiske udvindingssystemer 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 elektrodeoverflade. Ultralyd løser disse begrænsninger direkte.
Når højfrekvent ultralyd trænger ind i elektrolytten, skaber det akustisk kavitation: Der dannes mikroskopiske bobler, som svinger og kollapser. Disse kollaps genererer mikrostråler, chokbølger og intens lokal forskydning. Ved behandling i væskefase kan dette medføre lokal blanding, mikroblanding, dispersion, deagglomerering og accelereret transport på grænsefladen.
Hielschers ultralyds- og sono-elektroteknologi er baseret på kontrolleret akustisk kavitation til behandling af væsker, hvor ultralydsbølger genererer kavitationsfelter, der frembringer forskydning, chokbølger, mikrostråler og reproducerbar energioverførsel til væsker, suspensioner og opslæmninger.
Ved elektrolytisk udvinding er disse effekter særligt værdifulde, da den elektrokemiske reaktion finder sted på en overflade. Ultralyd kan reducere koncentrationsgradienter i nærheden af elektroden, komprimere eller bryde diffusionslaget og kontinuerligt tilføre nye metalioner til katoden. Nylige undersøgelser af ultralydsforstærket elektrokemisk massetransport beskriver strømforstærkning gennem komprimering af diffusionslaget drevet af akustisk strømning, mens forskning i ultralydsassisteret elektrodeponering rapporterer om forbedret iontransport gennem kavitation, mikrostrømning og akustiske trykvirkninger.

Synergien: Ultralydsbehandling kombineret med elektrokemisk behandling

Fordelen ved sono-elektrolyse ligger ikke blot i, at ultralyd “rører” Løsningen. Hielschers Sono-Electro-Probes kombinerer ultralydssonder og elektroder, der samtidig tilfører højintensivt ultralyd og elektrisk strøm til et elektrokemisk system. Nøglen hertil er den synergistiske kobling af to energifelter: elektrisk energi driver reduktionsreaktionen af metalioner, mens akustisk energi forbedrer de fysiske og grænsefladebetingelser, under hvilke reaktionen finder sted.
Denne synergi kan medføre en række fordele af industriel betydning:

• Større masseoverførsel: Ultralydsbehandling forbedrer tilførslen af opløste metalioner til katodeoverfladen, hvilket mindsker den lokale udtømning.
• Renere elektrodeoverflader: Kavitation og akustisk strømning bidrager til at fjerne passiveringslag, løst siddende partikler, gasbobler og reaktionsprodukter.
• Mulighed for forbedret strømeffektivitet: En mere aktiv elektrodeoverflade kan mindske tabene i forbindelse med koncentrationspolarisering og tilstopning af overfladen, selvom den endelige effektivitet afhænger af elektrolytens kemiske sammensætning og driftsparametrene.
• Mere ensartet afsætning: Ultralydsassisteret elektrodeponering har vist sig at give glattere, tættere og mere ensartede aflejringer samt finere kornstrukturer.
• Hurtigere elektrodepositionskinetik: Forbedret masseoverførsel og overfladeaktivering kan muliggøre højere afsætningshastigheder under optimerede betingelser.
• Begrænsninger ved reduceret diffusion: Ved at forstyrre grænselaget ved elektroden kan ultralyd bidrage til en mere ensartet afsætning, selv når metalkoncentrationerne er relativt lave.
• Bedre håndtering af komplekse elektrolytter: Ultralydsomrøring kan understøtte behandlingen af suspensioner, fine partikler og vanskelige udvaskningsvæsker ved at forbedre spredningen og mindske lokaliseret stillestående væske.

Dette gør sono-elektrolyse særligt attraktivt til hydrometallurgiske kredsløb, hvor konventionel elektrolyse er begrænset af langsom kinetik, dårlig aflejringsmorfologi, koncentrationspolarisering, tilstopning af elektroder, dækning af gasbobler eller lav metalionkoncentration.

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

Industrielle fordele ved metaludvinding

I forbindelse med industriel udvinding af metaller ligger fordelen ved sono-elektrolyse i procesintensificering. Der kan potentielt udvindes mere metal på kortere tid, med forbedret aflejringsmorfologi og en mere stabil celledrift, forudsat at ultralydseffekten, elektrodegeometrien, elektrolytsammensætningen og strømtætheden er korrekt afstemt.

I praksis understøtter sono-elektrolyse:

• Genvinding fra lavkoncentrerede udvaskningsvæsker: En bedre masseoverførsel kan bidrage til at opretholde aflejringen, når koncentrationerne af opløst metal ikke er optimale.
• Forbedret katodekvalitet: Jævnere og mere ensartede aflejringer kan gøre de efterfølgende processer – såsom afskalning, smeltning, raffinering eller pulverhåndtering – nemmere.
• Mindre tendens til tilsmudsning: Løbende fornyelse af overfladen kan mindske virkningen af passivering og uønskede overfladefilmer.
• Mere kompakt procesudformning: En hurtigere reaktionskinetik kan muliggøre brug af mindre celler eller en højere gennemstrømning, afhængigt af proceskemien.
• Forbedret udvinding fra sekundære ressourcer: Sort masse fra batterier, elektronikaffald, katalysatorer, slagger og industrielle restprodukter danner ofte komplekse udvaskningsopløsninger, hvor en intensiveret masseoverførsel er af stor betydning.
• Bedre kontrol over processen: Moderne ultralydssystemer kan integreres i batch- eller kontinuerlige inline-opsætninger og indstilles ved hjælp af amplitude, opholdstid, gennemstrømningshastighed, temperatur og energitilførsel.

Hielschers sono-elektro-systemer er unikke: Sono-elektroden fungerer samtidig som ultralydssonde og elektrode. Sono-elektro-systemerne er udviklet med henblik på skalerbar væskebehandling, lige fra laboratorietests til pilotdrift og industriel inline-produktion. Ultralyd med høj effekt, mulighed for kontinuerlig drift døgnet rundt, robusthed i industriel kvalitet og lavt vedligeholdelsesbehov gør Hielschers sono-elektro-systemer ideelle til industriel sono-elektroudvinding.
Lineær opskalering gennem kontrollerede parametre såsom amplitude, energitilførsel, gennemstrømningshastighed, temperatur og opholdstid muliggør en betydelig forøgelse af produktionskapaciteten.

Sono-elektrolyse i udvasknings- og elektrolyseprocessen

I et konventionelt hydrometallurgisk anlæg foregår elektrolytisk udvinding ofte efter udvaskning, adskillelse af faste stoffer og væsker, rensning og undertiden opløsningsmiddelekstraktion eller ionbytning. Sono-elektrolytisk udvinding kan integreres i dette efterfølgende udvindingstrin for at intensivere omdannelsen af opløste metalioner til fast metal.

En typisk procesforløb kan se således ud:

1. Knust malm, koncentrat, udvindingrester eller sekundære råmaterialer udvaskes for at opløse målmetallet.
2. Uopløselig gangart, resterende faste stoffer og uønskede faser fjernes eller reduceres.
3. Den mættede leacheopløsning er kemisk tilpasset med henblik på selektiv elektrolytisk udvinding.
4. Elektrolytten ledes ind i en elektrolysecelle, der er udstyret med sono-elektroder og cirkulationssystem.
5. Ultralydsbehandling forbedrer iontransporten og fornyelsen af elektrodeoverfladen, mens den tilførte strøm får metallet til at afsætte sig på katoden.
6. Metalproduktet udvindes, og elektrolytten genanvendes eller sendes til yderligere behandling.

Denne kombination er især interessant i de tilfælde, hvor metaludvindingsindustrien skal forarbejde mere krævende råmaterialer. Mange fremtidige råmaterialer indeholder lavere metalindhold, flere urenheder, finere partikler, blandede kemiske sammensætninger eller varierende sammensætning. Sono-elektrolyse udgør en metode til at gøre det elektrokemiske udvindingstrin mere robust ved at forbedre samspillet mellem elektrolytten og elektrodeoverfladen.

Sono-elektrokemisk metaludvinding: Højere udbytter til lavere procesomkostninger

Elektroudvinding er allerede en hjørnesten i hydrometallurgien, da den gør det muligt at udvinde metaller fra vandige opløsninger som faste produkter af høj værdi. Sono-elektroudvinding forbedrer den konventionelle elektroekstraktion ved at øge udvindingsgraden, strømeffektiviteten og reducere energiforbruget.
De synergistiske effekter af kraftultralyd og elektrolytisk udvinding imødegår de fysiske begrænsninger ved det elektrokemiske grænsefladeområde og muliggør en mere intensiv, kontrolleret og potentielt mere effektiv metaludvinding. Inden for minedrift, genanvendelse og metallurgiske processer bidrager teknologien til at bygge bro over kløften mellem stadig mere komplekse råmaterialer og behovet for renere, mere selektive udvindingsmetoder med højere kapacitet.

Sono-elektrolyse som et redskab til procesintensivering

Fremtiden for metaludvinding vil afhænge af, at man formår at udvinde mere metal fra ressourcer, der er sværere at udnytte. Forekomsterne af højkvalitetsmalm er i tilbagegang i mange regioner, mens efterspørgslen efter kobber, nikkel, kobolt, litiumrelaterede metaller, ædle metaller og sjældne grundstoffer er stigende. Samtidig udvider industrien sit fokus fra primærmalm til sekundære ressourcer såsom brugte batterier, elektronisk affald, katalysatorer, industrielle restprodukter og procesvand.
Sono-elektrolyse udgør en overbevisende strategi til procesintensivering inden for dette område. Ved at kombinere selektiviteten ved elektrokemisk metaludvinding med den grænsefladekraft, der kendetegner ultralydskavitation, kan metoden forbedre masseoverførslen, elektrodeaktiviteten, aflejringens morfologi og procesrobustheden. For industrielle aktører betyder dette en mere effektiv vej fra udvaskede metalioner til et metalprodukt, der kan udvindes.
Kort sagt gør sono-elektrolyse katodeoverfladen til en mere dynamisk reaktionszone. Ultralydsbehandlingen holder den elektrokemiske grænseflade aktiv; elektrokemien omdanner opløste ioner til metal; og tilsammen skaber de en effektiv platform for moderne hydrometallurgisk udvinding.

Højtydende sono-elektro-sonder og sono-elektro-reaktorer

Hielscher Ultrasonics er din mangeårige erfarne partner til højtydende ultralydssystemer. Vi fremstiller og distribuerer avancerede ultralydssonder og reaktorer, som bruges over hele verden til tunge applikationer i krævende miljøer. Til sonoelektrokemi har Hielscher udviklet specielle ultralydssonder, der kan fungere som katode og / eller anode, samt ultralydsreaktorceller, der er egnede til elektrokemiske reaktioner. Ultralydselektroder og celler fås til galvaniske / voltaiske såvel som elektrolytiske systemer.
 

Kontakt os nu og fortæl os om dine elektrokemiske proceskrav! Vi vil anbefale dig de bedst egnede ultralydselektroder og reaktoropsætning!
 

Litteratur / Referencer

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Sådan gøres ædle metaller billige: En sonoelektrokemisk – hydrodynamisk kavitationsmetode til genvinding af platinmetaller fra udtjente bilkatalysatorer. Ultrasonics Sonochemistry, bind 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): Sono-Hydro-Gen-processen (ultralydsinduceret brintproduktion): Udfordringer og muligheder. International Journal of Hydrogen Energy, bind 44, nr. 29, 2019, s. 14500–14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): En undersøgelse ved hjælp af cyklisk voltammetri af elektrodeposition af Cu-Zn-legeringsfilm: Indvirkningen af ultralydsbehandlingstidenActa Physica Polonica, bind 132, 2017. s. 1087–1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): En introduktion til sonoelektrokemi I: Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution, 1. udgave. Redigeret af Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, Ltd.
• Haas, I.: Tanker A. (2008): Syntese af metalliske magnesium-nanopartikler ved hjælp af sonoelektrokemi. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795-1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri, R. (2014): Sonoelektrokemisk og elektrokemisk syntese af polypyrrol-film på St-12-stål samt undersøgelser af disse filmers korrosion og morfologi. Advances in Polymer Technology, bind 33, nr. 3; 2014.
• Sono-elektrokemisk syntese forbedrer effektiviteten i kemisk produktion