Sono-Elektrolyse zur industriellen Metallgewinnung

Da die weltweite Nachfrage nach Kupfer, Nickel, Kobalt, Zink, Silber, Gold, Seltenen Metallen und batterierelevanten Materialien weiter steigt, stehen Metallproduzenten unter dem Druck, mehr Wert aus Erzen, Konzentraten, Abraumhalden, Recycling-Strömen und minderwertigen Ausgangsmaterialien zu gewinnen. In der Hydrometallurgie ist die Elektrogewinnung, auch als Elektroextraktion bekannt, eines der etabliertesten Verfahren zur Metallgewinnung: Gelöste Metallionen werden aus einer Laugungslösung durch Anlegen eines elektrischen Stroms gewonnen, wodurch die Ionen reduziert und das Metall auf einer Kathode abgeschieden wird.

Sono-Elektrogewinnung zur Verbesserung der hydrometallurgischen Metallrückgewinnung

Die Sono-Elektrogewinnung entwickelt dieses Prinzip weiter, indem sie die Elektrogewinnung mit hochintensivem Ultraschall kombiniert. Das Ergebnis ist ein sonoelektrochemischer Prozess, bei dem akustische Kavitation, Mikroströmung und elektrochemische Reduktion zusammenwirken. Anstatt sich ausschließlich auf das elektrische Potential und die herkömmliche Elektrolytzirkulation zu stützen, sorgt die Sono-Elektrogewinnung für eine intensive lokale Durchmischung direkt an oder nahe der Elektrodengrenzfläche, wo die Metallabscheidung tatsächlich stattfindet. Es ist weithin bekannt, dass Ultraschall den Stofftransport verbessert, die Diffusionsschicht aufbricht, Elektrodenoberflächen reinigt, Gasblasen entfernt und höhere elektrochemische Geschwindigkeiten ermöglicht.

Sono-Elektroden: Zwei Ultraschallwandler versetzen die Anode bzw. die Kathode in Schwingung. Die Sono-Elektroden oder Sono-Elektro-Sonden fungieren gleichzeitig als Elektroden und Ultraschallsonden, um die elektrolytische Gewinnung zu verbessern.

Vom Erz zur Kathode: So funktioniert die Sono-Elektroabscheidung

Die industrielle Galvanometallegewinnung beginnt in der Regel mit der Auslaugung. In diesem vorgelagerten Schritt wird das Zielmetall aus Erz, Konzentrat, Prozessrückständen, Schlacke, Schwarzmasse, Elektronikschrott oder anderen metallurgischen Ausgangsmaterialien in eine wässrige Lösung gelöst. Je nach Metall und Erzchemie kann das Laugungsmittel sauer, alkalisch, chloridbasiert, sulfatbasiert, cyanidbasiert, ammoniakalisch, auf organischen Säuren basierend oder anderweitig chemisch so angepasst sein, dass es die wertvolle Metallphase auflöst.
Nach der Auslaugung wird die metallhaltige Auslaugungslösung üblicherweise geklärt, gereinigt und hinsichtlich pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperatur, Metallkonzentration und Verunreinigungsprofil angepasst. In der Elektrogewinnungszelle fließt dieser metallhaltige Elektrolyt zwischen einer Anode und einer Kathode. Wird ein kontrollierter Strom angelegt, wandern die gelösten Metallionen und werden an der Kathodenoberfläche reduziert, wo sie eine feste Metallablagerung bilden. Bei der Sono-Elektrogewinnung wird Ultraschall in dieses elektrochemische System eingeleitet, sodass die akustische Energie den Ionentransport und die Erneuerung der Elektrodengrenzschicht verstärkt.

Vereinfacht ausgedrückt sieht der Ablauf wie folgt aus:

• Auswaschung: Wertmetalle werden aus Erz oder Sekundärrohstoffen in eine Lösung ausgelöst.
• Aufbereitung der Lösung: Die Laugungsflüssigkeit wird gereinigt oder angepasst, um die Selektivität und das Abscheidungsverhalten zu verbessern.
• Sonoelektrochemische Abscheidung: In der Elektrolysezelle wirken Ultraschall und elektrischer Strom gleichzeitig.
• Kathodenrückgewinnung: Metallabscheidungen werden je nach Prozessauslegung in Form von Blechen, Pulver, Schwamm, Folie oder in anderen Formen gewonnen.
• Elektrolytumwälzung: Der verbrauchte Elektrolyt kann regeneriert, recycelt oder in den hydrometallurgischen Kreislauf zurückgeführt werden.

Warum die Ultraschallbehandlung die Elektrogewinnung verbessert

Der größte Engpass in vielen Elektrolyseanlagen ist nicht nur die elektrische Reaktion selbst. Es geht vielmehr um die Zufuhr frischer Metallionen zur Kathodenoberfläche, die Entfernung von Reaktionsprodukten und Gasblasen sowie die Aufrechterhaltung einer aktiven, sauberen und homogenen Elektrodengrenzfläche. Ultraschall wirkt diesen Einschränkungen direkt entgegen.
Wenn Hochleistungsultraschall in den Elektrolyten eintritt, kommt es zu akustischer Kavitation: Es bilden sich mikroskopisch kleine Bläschen, die schwingen und zusammenbrechen. Durch dieses Zusammenbrechen entstehen Mikrostrahlen, Stoßwellen und starke lokale Scherkräfte. Bei der Verarbeitung in flüssiger Phase kann dies zu lokaler Durchmischung, Mikromischung, Dispersion, Deagglomeration und beschleunigtem Transport an den Grenzflächen führen.
Die Ultraschall- und Sono-Elektro-Technologie von Hielscher basiert auf der kontrollierten akustischen Kavitation zur Flüssigkeitsaufbereitung, bei der Ultraschallwellen Kavitationsfelder erzeugen, die Scherkräfte, Stoßwellen, Mikrostrahlen und eine reproduzierbare Energieübertragung in Flüssigkeiten, Suspensionen und Schlämme bewirken.
Bei der elektrolytischen Gewinnung sind diese Effekte besonders wertvoll, da die elektrochemische Reaktion an einer Oberfläche stattfindet. Ultraschall kann Konzentrationsgradienten in der Nähe der Elektrode verringern, die Diffusionsschicht verdichten oder aufbrechen und kontinuierlich frische Metallionen zur Kathode befördern. Aktuelle Arbeiten zum ultraschallunterstützten elektrochemischen Stofftransport beschreiben eine Strommarktung durch die Kompression der Diffusionsschicht, die durch akustische Strömung angetrieben wird, während Forschungsergebnisse zur ultraschallunterstützten Elektroabscheidung von einem verbesserten Ionentransport durch Kavitation, Mikroströmung und akustische Druckeffekte berichten.

Die Synergie: Ultraschallbehandlung plus Elektrochemie

Der Vorteil der Sono-Elektrogewinnung besteht nicht nur darin, dass Ultraschall „rührt“ Die Lösung. Die Sono-Electro-Probes von Hielscher kombinieren Ultraschallsonden und Elektroden, die gleichzeitig hochintensiven Ultraschall und elektrischen Strom in ein elektrochemisches System einleiten. Der Schlüssel liegt dabei in der synergetischen 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:

• Höherer Stoffaustausch: Durch die Ultraschallbehandlung wird die Zufuhr gelöster Metallionen zur Kathodenoberfläche verbessert, wodurch die lokale Verarmung verringert wird.
• Sauberere Elektrodenoberflächen: Kavitation und akustische Strömung tragen dazu bei, Passivierungsschichten, lose anhaftende Partikel, Gasblasen und Reaktionsprodukte zu entfernen.
• Potenzial zur Verbesserung der Stromeffizienz: Eine aktivere Elektrodenoberfläche kann Verluste aufgrund von Konzentrationspolarisation und Oberflächenverstopfung verringern, wobei der endgültige Wirkungsgrad von der Elektrolytchemie und den Betriebsparametern abhängt.
• Gleichmäßigere Abscheidung: Die ultraschallunterstützte galvanische Abscheidung wird mit glatteren, dichteren und gleichmäßigeren Abscheidungen sowie feineren Kornstrukturen in Verbindung gebracht.
• Schnellere Kinetik der galvanischen Abscheidung: Ein verbesserter Stoffaustausch und eine verbesserte Oberflächenaktivierung können unter optimierten Bedingungen zu höheren Abscheidungsraten führen.
• Einschränkungen bei der reduzierten Diffusion: Durch die Störung der Grenzschicht an der Elektrode kann Ultraschall eine gleichmäßigere Abscheidung fördern, selbst wenn die Metallkonzentrationen relativ gering sind.
• Bessere Handhabung komplexer Elektrolyte: Ultraschallrühren kann die Aufbereitung von Suspensionen, feinen Partikeln und schwer zu verarbeitenden Auslaugungsflüssigkeiten unterstützen, indem es die Dispersion verbessert und lokale Stagnation verringert.

Dies macht die Sono-Elektrogewinnung besonders attraktiv für hydrometallurgische Kreisläufe, in denen die herkömmliche Elektrogewinnung durch langsame Kinetik, schlechte Abscheidungsmorphologie, Konzentrationspolarisation, Elektrodenverschmutzung, Gasblasenbedeckung oder niedrige Metallionenkonzentration eingeschränkt ist.

Konventionelle vs. sonoelektrochemische Auflösungsraten von Pt-Elektroden.
Studie und Grafiken: ©Vasile et al., 2021

Industrielle Vorteile bei der Metallgewinnung

Bei der industriellen Metallgewinnung liegt der Vorteil der Sono-Elektrolyse in der Prozessintensivierung. Potenziell lässt sich in kürzerer Zeit mehr Metall gewinnen, bei verbesserter Ablagerungsmorphologie und stabilerem Zellbetrieb, vorausgesetzt, die Ultraschallleistung, die Elektrodengeometrie, die Elektrolytzusammensetzung und die Stromdichte sind optimal aufeinander abgestimmt.

In der Praxis unterstützt die Sono-Elektrogewinnung:

• Rückgewinnung aus schwachkonzentrierten Laugen: Ein besserer Stoffaustausch kann dazu beitragen, die Abscheidung aufrechtzuerhalten, wenn die Konzentrationen der gelösten Metalle nicht ideal sind.
• Verbesserte Kathodenqualität: Glattere und gleichmäßigere Ablagerungen können die nachfolgenden Schritte wie Abstreifen, Schmelzen, Raffinieren oder die Pulverhandhabung vereinfachen.
• Geringere Neigung zur Verschmutzung: Eine kontinuierliche Oberflächenerneuerung kann die Auswirkungen der Passivierung und unerwünschter Oberflächenfilme verringern.
• Kompakterer Prozessaufbau: Eine schnellere Kinetik kann je nach Prozesschemie den Einsatz kleinerer Zellen oder einen höheren Durchsatz ermöglichen.
• Verbesserte Gewinnung aus Sekundärrohstoffen: Bei der Schwarzmasse aus Batterien, Elektronikschrott, Katalysatoren, Schlacken und Industrieabfällen entstehen häufig komplexe Auslaugungslösungen, bei denen ein intensiverer Stoffaustausch von Vorteil ist.
• Bessere Prozesssteuerbarkeit: Moderne Ultraschallsysteme lassen sich in Chargen- oder kontinuierliche Inline-Anlagen integrieren und über Amplitude, Verweilzeit, Durchflussrate, Temperatur und Energiezufuhr abstimmen.

Die Sono-Elektro-Systeme von Hielscher sind einzigartig: Die Sono-Elektrode fungiert gleichzeitig als Ultraschallsonde und Elektrode. Die Sono-Elektro-Anlagen sind auf eine skalierbare Flüssigkeitsverarbeitung ausgelegt – von Labortests über den Pilotbetrieb bis hin zur industriellen Inline-Produktion. Hochleistungsultraschall, die Fähigkeit zum 24/7-Dauerbetrieb, industrielle Robustheit und geringer Wartungsaufwand machen die Sono-Elektro-Systeme von Hielscher ideal für die industrielle Sono-Elektrogewinnung.
Eine lineare Skalierung durch kontrollierte Parameter wie Amplitude, Energiezufuhr, Durchflussrate, Temperatur und Verweilzeit ermöglicht eine erhebliche Steigerung der Produktionskapazitäten.

Sono-Elektrogewinnung in der Auslaugungs-Elektrogewinnungs-Kette

In einer herkömmlichen hydrometallurgischen Anlage erfolgt die Elektrogewinnung häufig nach der Auslaugung, der Fest-Flüssig-Trennung, der Reinigung und manchmal auch nach der Lösungsmittelextraktion oder dem Ionenaustausch. Die Sono-Elektrogewinnung kann in diesen nachgelagerten Rückgewinnungsschritt integriert werden, um die Umwandlung gelöster Metallionen in festes Metall zu intensivieren.

Ein typischer Prozessablauf könnte wie folgt aussehen:

1. Zerkleinertes Erz, Konzentrat, Abgangsmaterial oder Sekundärrohstoffe werden ausgelaugt, um das Zielmetall aufzulösen.
2. Unlösliche Gangart, Restfeststoffe und unerwünschte Phasen werden entfernt oder reduziert.
3. Die schwangere Laugenlösung wird chemisch für die selektive Galvanisierung eingestellt.
4. Der Elektrolyt wird in eine Elektrolysezelle geleitet, die mit Sono-Elektroden und einem Umwälzsystem ausgestattet ist.
5. Die Ultraschallbehandlung verbessert den Ionentransport und die Erneuerung der Elektrodenoberfläche, während der angelegte Strom das Metall auf der Kathode abscheidet.
6. Das Metallprodukt wird gewonnen, und der Elektrolyt wird recycelt oder zur weiteren Aufbereitung weitergeleitet.

Diese Kombination ist besonders interessant, wenn die Metallgewinnungsindustrie anspruchsvollere Rohstoffe verarbeiten muss. Viele zukünftige Rohstoffe weisen geringere Metallgehalte, mehr Verunreinigungen, feinere Partikel, gemischte chemische Zusammensetzungen oder eine variable Zusammensetzung auf. Die Sono-Elektrogewinnung bietet eine Möglichkeit, den elektrochemischen Rückgewinnungsschritt robuster zu gestalten, indem die Wechselwirkung zwischen dem Elektrolyten und der Elektrodenoberfläche verbessert wird.

Sono-elektrochemische Metallrückgewinnung: Höhere Ausbeuten bei geringeren Prozesskosten

Die Elektrogewinnung ist bereits ein Eckpfeiler der Hydrometallurgie, da sie die Rückgewinnung von Metallen aus wässrigen Lösungen in Form hochwertiger fester Produkte ermöglicht. Die Sono-Elektrogewinnung verbessert die herkömmliche Elektroextraktion durch eine Steigerung der Rückgewinnungseffizienz, der Stromeffizienz und eine Senkung des Energieverbrauchs.
Die Synergieeffekte von Hochleistungsultraschall und elektrolytischer Gewinnung überwinden die physikalischen Grenzen der elektrochemischen Grenzfläche und ermöglichen eine intensivere, kontrolliertere und potenziell effizientere Metallrückgewinnung. Im Bergbau, im Recycling und in der Metallurgie trägt diese Technologie dazu bei, die Lücke zwischen immer komplexeren Ausgangsmaterialien und dem Bedarf an saubereren, selektiveren und durchsatzstärkeren Extraktionsverfahren zu schließen.

Sono-Elektrogewinnung als Instrument zur Prozessintensivierung

Die Zukunft der Metallgewinnung wird davon abhängen, dass mehr Metall aus schwieriger zu erschließenden Lagerstätten gewonnen wird. In vielen Regionen gehen die Vorkommen an hochgradigen Erzen zurück, während die Nachfrage nach Kupfer, Nickel, Kobalt, Lithium-Metallen, Edelmetallen und Seltenen Erden steigt. Gleichzeitig erweitert die Industrie ihren Fokus von Primärerzen auf Sekundärressourcen wie Altbatterien, Elektronikschrott, Katalysatoren, Industrieabfälle und Prozesswasser.
Die Sono-Elektrogewinnung bietet eine überzeugende Strategie zur Prozessintensivierung in diesem Bereich. Durch die Kombination der Selektivität der elektrochemischen Metallrückgewinnung mit der Grenzflächenwirkung der Ultraschallkavitation lassen sich der Stoffaustausch, die Elektrodenaktivität, die Morphologie der Ablagerungen und die Prozessrobustheit verbessern. Für industrielle Betreiber bedeutet dies einen effizienteren Weg von den ausgelaugten Metallionen zum gewinnbaren Metallprodukt.
Kurz gesagt: Durch die Sono-Elektrogewinnung wird die Kathodenoberfläche zu einer dynamischeren Reaktionszone. Die Ultraschallbehandlung hält die elektrochemische Grenzfläche aktiv; die Elektrochemie wandelt gelöste Ionen in Metall um; und zusammen bilden sie eine leistungsstarke Plattform für die moderne hydrometallurgische Gewinnung.

Hochleistungs-Sono-Elektro-Sonden und Sono-Elektro-Reaktoren

Hielscher Ultrasonics ist Ihr langjährig erfahrener Partner für Hochleistungs-Ultraschallsysteme. Wir fertigen und vertreiben hochmoderne Ultraschallhörner (Sonotroden) und -reaktoren, die weltweit für Hochleistungsanwendungen in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden. Für die Sonoelektrochemie hat Hielscher spezielle Ultraschallsonotroden entwickelt, die als Kathode und/oder Anode fungieren, sowie Ultraschall-Reaktorzellen, 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 / Literaturhinweise

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Edelmetalle erschwinglich machen: Ein sonoelektrochemisches – hydrodynamisches Kavitationsverfahren zur Rückgewinnung von Platingruppenmetallen aus gebrauchten Autokatalysatoren. Ultrasonics Sonochemistry, Band 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): Das Sono-Hydro-Gen-Verfahren (ultraschallinduzierte Wasserstoffproduktion): Herausforderungen und Chancen. International Journal of Hydrogen Energy, Band 44, Ausgabe 29, 2019, 14500–14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): Eine zyklische Voltammetrie-Untersuchung zur elektrolytischen Abscheidung von Cu-Zn-Legierungsschichten: Einfluss der UltraschallbehandlungsdauerActa Physica Polonica, Band 132, 2017, S. 1087–1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): Eine Einführung in die Sonoelektrochemie In: „Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution“, 1. Auflage. Herausgegeben von Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, GmbH
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• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri, R. (2014): Sonoelektrochemische und elektrochemische Synthese von Polypyrrol-Schichten auf St-12-Stahl sowie Untersuchungen zu deren Korrosionsverhalten und Morphologie. Advances in Polymer Technology, Band 33, Ausgabe 3; 2014.
• Sono-elektrochemische Synthese verbessert die Effizienz in der chemischen Produktion