Sono-Electrowinning für die industrielle Metallgewinnung

Da die weltweite Nachfrage nach Kupfer, Nickel, Kobalt, Zink, Silber, Gold, seltenen Metallen und batterierelevanten Materialien weiter steigt, stehen Metallproduzenten unter Druck, aus Erzen, Konzentraten, Aufbereitungsrückständen, Recyclingströmen und geringhaltigen Einsatzstoffen mehr Wertstoffe zurückzugewinnen. In der Hydrometallurgie ist Electrowinning, auch als Elektroextraktion bezeichnet, eines der etabliertesten Verfahren zur Metallgewinnung: Gelöste Metallionen werden durch Anlegen eines elektrischen Stroms aus einer Laugungslösung zurückgewonnen, wobei die Ionen reduziert werden und sich das Metall auf einer Kathode abscheidet.

Sono-Electrowinning für eine verbesserte hydrometallurgische Metallgewinnung

Sono-Electrowinning entwickelt dieses Prinzip weiter, indem es Electrowinning mit hochintensivem Ultraschall kombiniert. Das Ergebnis ist ein sonoelektrochemischer Prozess, bei dem akustische Kavitation, Mikroströmungen und elektrochemische Reduktion zusammenwirken. Statt sich ausschließlich auf das elektrische Potenzial und eine konventionelle Elektrolytumwälzung zu verlassen, erzeugt Sono-Electrowinning eine intensive lokale Durchmischung direkt an oder nahe der Elektrodengrenzfläche, an der die Metallabscheidung tatsächlich stattfindet. In zahlreichen Berichten wird beschrieben, dass Ultraschall den Stofftransport verbessert, die Diffusionsschicht stört, Elektrodenoberflächen reinigt, Gasblasen entfernt und höhere elektrochemische Reaktionsraten unterstützt.

Sono-Elektro-Sonotroden: 2 Ultraschallwandler versetzen die Anode beziehungsweise die Kathode in Schwingung. Die Sono-Elektroden oder Sono-Elektro-Sonotroden fungieren gleichzeitig als Elektroden und Ultraschallsonotroden für ein verbessertes Electrowinning.

Vom Erz zur Kathode: So funktioniert die Sono-Elektroabscheidung

Industrielles Electrowinning beginnt üblicherweise mit der Laugung. In diesem vorgelagerten Schritt wird das Zielmetall aus einem Erz, Konzentrat, Prozessrückstand, einer Schlacke, Schwarzmasse, Elektroschrott oder einem anderen metallurgischen Einsatzstoff herausgelöst und in eine wässrige Lösung überführt. Je nach Metall und chemischer Zusammensetzung des Erzes kann das Laugungsmittel sauer, alkalisch, chloridbasiert, sulfatbasiert, cyanidbasiert, ammoniakalisch, auf organischen Säuren basierend oder auf andere Weise chemisch auf das Auflösen der wertmetallhaltigen Phase abgestimmt sein.
Nach der Laugung wird die metallbeladene Laugungslösung üblicherweise geklärt, gereinigt und hinsichtlich pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperatur, Metallkonzentration und Verunreinigungsprofil eingestellt. In der Electrowinning-Zelle fließt dieser metallhaltige Elektrolyt zwischen einer Anode und einer Kathode. Wird ein geregelter Strom angelegt, wandern die gelösten Metallionen und werden an der Kathodenoberfläche reduziert, wo sie eine feste metallische Ablagerung bilden. Beim Sono-Electrowinning wird Ultraschall in diese elektrochemische Umgebung eingeleitet, sodass die akustische Energie den Ionentransport und die Erneuerung der Elektrodengrenzschicht intensiviert.

Vereinfacht lässt sich die Prozessabfolge wie folgt beschreiben:

• Laugung: Wertmetalle werden aus Erz oder einem Sekundärrohstoff herausgelöst und in Lösung überführt.
• Lösungskonditionierung: Die Laugungslösung wird gereinigt oder eingestellt, um die Selektivität und das Abscheidungsverhalten zu verbessern.
• Sonoelektrochemische Abscheidung: Ultraschall und elektrischer Strom wirken gleichzeitig in der Electrowinning-Zelle.
• Gewinnung des Kathodenmetalls: Die Metallabscheidungen werden je nach Prozessauslegung als Bleche, Pulver, Schwamm, Folien oder in anderen Abscheidungsformen entnommen.
• Elektrolytrückführung: Der an Metall verarmte Elektrolyt kann regeneriert, wiederverwendet oder in den hydrometallurgischen Kreislauf zurückgeführt werden.

Warum Beschallung das Electrowinning verbessert

Der wesentliche Engpass in vielen Electrowinning-Systemen liegt nicht allein in der elektrischen Reaktion selbst. Er liegt in der Versorgung der Kathodenoberfläche mit frischen Metallionen, der Entfernung von Reaktionsprodukten und Gasblasen sowie der Aufrechterhaltung einer aktiven, sauberen und homogenen Elektrodengrenzfläche. Ultraschall wirkt diesen Einschränkungen direkt entgegen.
Wenn Hochleistungsultraschall in den Elektrolyten eingeleitet wird, erzeugt er akustische Kavitation: Mikroskopisch kleine Blasen bilden sich, schwingen und kollabieren. Diese Kollapsvorgänge erzeugen Mikrostrahlen, Stoßwellen und starke lokale Scherkräfte. Bei der Verarbeitung in der Flüssigphase kann dies eine lokale Durchmischung, Mikromischung, Dispergierung, Deagglomeration und einen beschleunigten Stofftransport an Grenzflächen bewirken.
Die Ultraschall- und Sono-Elektro-Technologie von Hielscher ist auf kontrollierte akustische Kavitation für die Flüssigkeitsverarbeitung ausgerichtet. Dabei erzeugen Ultraschallwellen Kavitationsfelder, die Scherkräfte, Stoßwellen, Mikrostrahlen und eine reproduzierbare Energieübertragung in Flüssigkeiten, Suspensionen und Schlämme bewirken.
Beim Electrowinning sind diese Effekte besonders wertvoll, da die elektrochemische Reaktion an einer Oberfläche stattfindet. Ultraschall kann Konzentrationsgradienten nahe der Elektrode verringern, die Diffusionsschicht komprimieren oder stören und der Kathode kontinuierlich frische Metallionen zuführen. Neuere Arbeiten zum ultraschallverstärkten elektrochemischen Stofftransport beschreiben eine Stromerhöhung durch die Kompression der Diffusionsschicht infolge akustischer Strömung. Forschungsarbeiten zur ultraschallgestützten Elektroabscheidung berichten zugleich über einen verbesserten Ionentransport durch Kavitation, Mikroströmungen und akustische Druckeffekte.

Die Synergie: Beschallung plus Elektrochemie

Der Vorteil von Sono-Electrowinning besteht nicht lediglich darin, dass Ultraschall die Lösung „rührt“. Die Sono-Elektro-Sonotroden von Hielscher kombinieren Ultraschallsonotroden und Elektroden, die gleichzeitig hochintensiven Ultraschall und elektrischen Strom in ein elektrochemisches System einbringen. Entscheidend ist dabei die synergistische Kopplung zweier Energiefelder: Elektrische Energie treibt die Reduktionsreaktion der Metallionen an, während akustische Energie die physikalischen und grenzflächenbezogenen Bedingungen verbessert, unter denen diese Reaktion stattfindet.
Diese Synergie kann mehrere industriell relevante Vorteile mit sich bringen:

• Verbesserter Stofftransport: Die Beschallung verbessert die Versorgung der Kathodenoberfläche mit gelösten Metallionen und verringert dadurch die lokale Verarmung an Metallionen.
• Sauberere Elektrodenoberflächen: Kavitation und akustische Strömung helfen, Passivierungsschichten, lose anhaftende Partikel, Gasblasen und Reaktionsprodukte zu entfernen.
• Potenzial für eine verbesserte Stromausbeute: Eine aktivere Elektrodengrenzfläche kann Verluste durch Konzentrationspolarisation und Oberflächenblockierung verringern, wobei die letztlich erzielte Ausbeute von der Elektrolytchemie und den Betriebsparametern abhängt.
• Gleichmäßigere Abscheidung: Ultraschallgestützte Elektroabscheidung wird mit glatteren, dichteren und gleichmäßigeren Ablagerungen sowie feineren Kornstrukturen in Verbindung gebracht.
• Schnellere Elektroabscheidungskinetik: Ein verbesserter Stofftransport und die Aktivierung der Oberfläche können unter optimierten Bedingungen höhere Abscheidungsraten ermöglichen.
• Verringerte Diffusionslimitierungen: Durch die Störung der Grenzschicht an der Elektrode kann Ultraschall eine gleichmäßigere Abscheidung unterstützen, selbst wenn die Metallkonzentrationen relativ niedrig sind.
• Bessere Handhabung komplexer Elektrolyte: Ultraschallbedingte Bewegung kann die Verarbeitung von Suspensionen, feinen Partikeln und schwierig zu verarbeitenden Laugungslösungen unterstützen, indem sie die Dispergierung verbessert und lokale Stagnation verringert.

Dies macht Sono-Electrowinning besonders attraktiv für hydrometallurgische Kreisläufe, in denen konventionelles Electrowinning durch langsame Kinetik, ungünstige Abscheidungsmorphologie, Konzentrationspolarisation, Elektrodenverschmutzung, eine Bedeckung mit Gasblasen oder eine niedrige Metallionenkonzentration begrenzt wird.

Konventionelle und sonoelektrochemische Auflösungsraten von Pt-Elektroden im Vergleich.
Studie und Diagramme: ©Vasile et al., 2021

Industrielle Vorteile für die Metallgewinnung

Für die industrielle Metallgewinnung liegt der Nutzen von Sono-Electrowinning in der Prozessintensivierung. Potenziell lässt sich in kürzerer Zeit mehr Metall gewinnen, bei verbesserter Abscheidungsmorphologie und stabilerem Zellbetrieb, sofern Beschallungsleistung, Elektrodengeometrie, Elektrolytzusammensetzung und Stromdichte richtig aufeinander abgestimmt sind.

In der Praxis unterstützt Sono-Electrowinning Folgendes:

• Rückgewinnung aus geringhaltigen Laugungslösungen: Ein verbesserter Stofftransport kann helfen, die Abscheidung aufrechtzuerhalten, wenn die Konzentrationen gelöster Metalle nicht ideal sind.
• Verbesserte Kathodenqualität: Glattere und gleichmäßigere Ablagerungen können das anschließende Ablösen des abgeschiedenen Metalls von der Kathode, das Schmelzen, die Raffination oder die Handhabung von Pulver vereinfachen.
• Geringere Verschmutzungsneigung: Eine kontinuierliche Oberflächenerneuerung kann die Auswirkungen von Passivierung und unerwünschten Oberflächenfilmen verringern.
• Kompaktere Prozessauslegung: Eine schnellere Kinetik kann je nach Prozesschemie kleinere Zellen oder einen höheren Durchsatz ermöglichen.
• Verbesserte Rückgewinnung aus Sekundärressourcen: Batterieschwarzmasse, Elektroschrott, Katalysatoren, Schlacken und industrielle Rückstände ergeben häufig komplexe Laugungslösungen, bei denen ein intensivierter Stofftransport von Nutzen ist.
• Bessere Prozessregelbarkeit: Moderne Ultraschallsysteme lassen sich in Batch-Anlagen oder kontinuierliche Inline-Anlagen integrieren und über Amplitude, Verweilzeit, Volumenstrom, Temperatur und Energieeintrag einstellen.

Die Sono-Elektro-Systeme von Hielscher sind einzigartig: Die Sono-Elektrode fungiert gleichzeitig als Ultraschallsonotrode und als Elektrode. Die Sono-Elektro-Aufbauten sind für die skalierbare Flüssigkeitsverarbeitung ausgelegt, von Laborversuchen über den Pilotbetrieb bis zur industriellen Inline-Produktion. Hochleistungsultraschall, die Fähigkeit zum 24/7-Dauerbetrieb, industrielle Robustheit und geringer Wartungsbedarf machen die Sono-Elektro-Systeme von Hielscher ideal für industrielles Sono-Electrowinning.
Eine lineare Maßstabsvergrößerung durch kontrollierte Parameter wie Amplitude, Energieeintrag, Volumenstrom, Temperatur und Verweilzeit erleichtert die Erhöhung der Produktionskapazitäten erheblich.

Sono-Electrowinning in der Prozesskette Laugung–Electrowinning

In einer konventionellen hydrometallurgischen Anlage folgt Electrowinning häufig auf Laugung, Fest-Flüssig-Trennung, Reinigung und gegebenenfalls Lösungsmittelextraktion oder Ionenaustausch. Sono-Electrowinning kann in diesen nachgelagerten Rückgewinnungsschritt integriert werden, um die Umwandlung gelöster Metallionen in festes Metall zu intensivieren.

Ein typischer Prozessablauf kann wie folgt aussehen:

1. Zerkleinertes Erz, Konzentrat, Aufbereitungsrückstände oder ein Sekundärrohstoff werden gelaugt, um das Zielmetall zu lösen.
2. Unlösliche Gangart, verbleibende Feststoffe und unerwünschte Phasen werden entfernt oder verringert.
3. Die metallbeladene Laugungslösung wird chemisch für selektives Electrowinning eingestellt.
4. Der Elektrolyt wird einer Electrowinning-Zelle zugeführt, die mit Sono-Elektroden und einer Umwälzung ausgestattet ist.
5. Die Beschallung verbessert den Ionentransport und die Erneuerung der Elektrodenoberfläche, während der angelegte Strom das Metall auf der Kathode abscheidet.
6. Das Metallprodukt wird entnommen, und der Elektrolyt wird wiederverwendet oder einer weiteren Behandlung zugeführt.

Diese Kombination ist besonders dort interessant, wo die Metallgewinnungsindustrie anspruchsvollere Ressourcen verarbeiten muss. Viele künftige Einsatzstoffe weisen niedrigere Metallgehalte, mehr Verunreinigungen, feinere Partikel, gemischte chemische Zusammensetzungen oder eine schwankende Zusammensetzung auf. Sono-Electrowinning bietet einen Weg, den elektrochemischen Rückgewinnungsschritt robuster zu gestalten, indem es die Wechselwirkung zwischen dem Elektrolyten und der Elektrodenoberfläche verbessert.

Sonoelektrochemische Metallgewinnung: Höhere Ausbeuten bei geringeren Prozesskosten

Electrowinning ist bereits ein Grundpfeiler der Hydrometallurgie, da es Metalle aus wässrigen Lösungen als hochwertige feste Produkte gewinnen kann. Sono-Electrowinning verbessert die konventionelle Elektroextraktion durch Verbesserungen bei der Rückgewinnungseffizienz, der Stromausbeute und dem Energieverbrauch.
Die synergistischen Effekte von Leistungsultraschall und Electrowinning wirken den physikalischen Einschränkungen der elektrochemischen Grenzfläche entgegen und unterstützen eine intensivere, kontrollierte und potenziell effizientere Metallgewinnung. Für Bergbau-, Recycling- und metallurgische Betriebe trägt die Technologie dazu bei, die Lücke zwischen zunehmend komplexen Einsatzstoffen und dem Bedarf an saubereren, selektiveren Gewinnungsverfahren mit höherem Durchsatz zu schließen.

Sono-Electrowinning als Werkzeug zur Prozessintensivierung

Die Zukunft der Metallgewinnung wird davon abhängen, mehr Metall aus schwieriger zu verarbeitenden Ressourcen zu gewinnen. Erze mit hohem Metallgehalt werden in vielen Regionen knapper, während die Nachfrage nach Kupfer, Nickel, Kobalt, mit Lithium in Zusammenhang stehenden Metallen, Edelmetallen und seltenen Elementen steigt. Gleichzeitig erweitert die Industrie ihren Fokus von Primärerzen auf Sekundärressourcen wie Altbatterien, Elektronikschrott, Katalysatoren, industrielle Rückstände und Prozesswässer.
Sono-Electrowinning bietet für dieses Umfeld eine überzeugende Strategie zur Prozessintensivierung. Indem es die Selektivität der elektrochemischen Metallgewinnung mit der Wirkung der Ultraschallkavitation an Grenzflächen kombiniert, kann es den Stofftransport, die Elektrodenaktivität, die Abscheidungsmorphologie und die Prozessrobustheit verbessern. Für industrielle Betreiber bedeutet dies einen leistungsfähigeren Weg von durch Laugung gelösten Metallionen zu einem gewinnbaren Metallprodukt.
Kurz gesagt macht Sono-Electrowinning die Kathodenoberfläche zu einer dynamischeren Reaktionszone. Die Beschallung hält die elektrochemische Grenzfläche aktiv; die Elektrochemie wandelt gelöste Ionen in Metall um; gemeinsam schaffen sie eine leistungsstarke Plattform für die moderne hydrometallurgische Gewinnung.

Leistungsstarke Sono-Elektro-Sonotroden und SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics ist Ihr Partner mit langjähriger Erfahrung für leistungsstarke Ultraschallsysteme. Wir fertigen und vertreiben hochmoderne Ultraschallsonotroden und Reaktoren, die weltweit für Anwendungen mit hoher Beanspruchung in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden. Für die Sonoelektrochemie hat Hielscher spezielle Ultraschallsonotroden entwickelt, die als Kathode und/oder Anode fungieren können, sowie Ultraschallreaktorzellen, die für elektrochemische Reaktionen geeignet sind. Ultraschallelektroden und -zellen sind sowohl für galvanische / voltaische als auch für elektrolytische Systeme erhältlich.
 

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Literatur / Quellen

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• Sonoelektrochemische Synthese verbessert die Effizienz in der chemischen Produktion