Sono-elektrolüüs tööstuslikuks metallide ekstraheerimiseks

Kuna ülemaailmne nõudlus vase, nikli, koobalt, tsingi, hõbeda, kulla, haruldaste metallide ja akudega seotud materjalide järele kasvab jätkuvalt, on metallitootjad sunnitud kaevandama rohkem väärtust maagidest, kontsentraatidest, jäätmetest, ringlussevõetud materjalidest ja madala kvaliteediga toorainest. Hüdrometallurgias on üks kõige levinumaid metallide eraldamise meetodeid elektrolüüs, mida tuntakse ka kui elektroekstraheerimine: lahustunud metallioonid eraldatakse leostuslahusest elektrivoolu abil, mis redutseerib ioone ja sadestab metalli katoodile.

Sono-elektrolüüs metallide hüdrometallurgilise saagise suurendamiseks

Sono-elektrolüüs arendab seda põhimõtet edasi, ühendades elektrolüüsi suure intensiivsusega ultraheliga. Tulemuseks on sonoelektrokeemiline protsess, milles akustiline kavitatsioon, mikrovoog ja elektrokeemiline redutseerimine toimivad koos. Selle asemel, et tugineda ainult elektripotentsiaalile ja tavapärasele elektrolüüdi ringlusele, tekitab sonoelektrolüüs intensiivset kohalikku segunemist otse elektroodi piirpinnal või selle lähedal, kus metall tegelikult sadestub. Uuringute kohaselt soodustab ultraheli massiülekannet, häirib difusioonikihti, puhastab elektroodipindu, eemaldab gaasimulle ja toetab suuremaid elektrokeemilisi reaktsioonikiirusi.

Sono-elektro-andurid: kaks ultraheliandurit panevad vastavalt anoodi ja katoodi võnkuma. Sono-elektroodid ehk sono-elektro-andurid toimivad üheaegselt nii elektroodidena kui ka ultrahelianduritena, et parandada elektrolüütilist tootmist.

Maagist katoodini: kuidas toimib ultraheli-elektrodepositsioon

Tööstuslik elektrolüütiline tootmine algab tavaliselt leostamisega. Selles eelnevas etapis lahustatakse sihtmaterjal – metall – maagist, kontsentraadist, töötlemisjääkidest, räbust, mustast massist, elektroonikajäätmetest või muust metallurgilisest toorainest vesilahusesse. Sõltuvalt metalli ja maagi keemilisest koostisest võib leostusaine olla happeline, aluseline, kloriidipõhine, sulfaadipõhine, tsüaniidipõhine, ammoniaagipõhine, orgaanilise happe põhine või muul viisil keemiliselt kohandatud väärtusliku metallifaasi lahustamiseks.
Pärast leostamist selitatakse, puhastatakse ja reguleeritakse leostuslahust tavaliselt pH, juhtivuse, temperatuuri, metallikontsentratsiooni ja lisandite koostise osas. Elektrokeemilises eralduskambris voolab see metallisisaldav elektrolüüt anoodi ja katoodi vahel. Kui rakendatakse reguleeritud voolu, rändavad lahustunud metallioonid ja redutseeruvad katoodi pinnal, kus nad moodustavad tahke metallkihi. Sonoelektrolüüsis juhitakse sellesse elektrokeemilisse keskkonda ultraheli, nii et akustiline energia intensiivistab ioonide transporti ja elektroodi piirkihi uuenemist.

Lihtsustatult öeldes on protsessi kulg järgmine:

• Leostumine: Väärismetallid lahustatakse maagist või teisest toorainest lahusesse.
• Lahuse konditsioneerimine: Leotamisvedelikku puhastatakse või reguleeritakse, et parandada selektiivsust ja sadestumiskäitumist.
• Sonoelektrokeemiline sadestamine: Ultraheli ja elektrivool mõjuvad elektrolüüsikambris üheaegselt.
• Katoodi taaskasutamine: Metallisadestised kogutakse vastavalt protsessi ülesehitusele lehtmetalli, pulbri, spongi, fooliumi või muude sadestusvormidena.
• Elektrolüüdi ringlus: Kurnatud elektrolüüti saab regenereerida, ringlusse võtta või suunata tagasi hüdrometallurgilisse tsüklisse.

Miks ultraheliravi parandab elektrolüüsi

Paljude elektrolüüsisüsteemide peamine kitsaskoht ei ole mitte ainult elektriline reaktsioon ise. See hõlmab värskete metallioonide juurdevoolu katoodi pinnale, reaktsioonisaaduste ja gaasimullide eemaldamist ning aktiivse, puhta ja ühtlase elektroodipiirpinna säilitamist. Ultraheli aitab neid piiranguid otseselt ületada.
Kui suure võimsusega ultraheli jõuab elektrolüüti, tekitab see akustilise kavitatsiooni: tekivad mikroskoopilised mullid, mis võnguvad ja lõhkevad. Nende lõhkemiste tagajärjel tekivad mikrojugad, lööklaineid ja tugev kohalik nihkejõud. Vedelafaasilises töötlemises võib see põhjustada lokaalset segamist, mikrosegamist, dispersiooni, aglomeerumise lõhkumist ja kiirendatud faasidevahelist transporti.
Hielscheri ultraheli- ja sono-elektrotehnoloogia põhineb vedelike töötlemisel kontrollitud akustilisel kavitatsioonil, kus ultrahelilained tekitavad kavitatsioonivälju, mis põhjustavad nihkejõudu, lööklaineid, mikrojugusid ja korratavat energiaülekannet vedelikesse, suspensioonidesse ja suspensioonidesse.
Elektrolüüsis on need efektid eriti väärtuslikud, kuna elektrokeemiline reaktsioon toimub pinnal. Ultraheli võib vähendada kontsentratsioonigradiente elektroodi lähedal, tihendada või häirida difusioonikihti ning tuua katodile pidevalt uusi metallioone. Hiljutised uuringud ultraheliga tõhustatud elektrokeemilise massiülekande kohta kirjeldavad voolu tugevnemist akustilise voolu poolt ajendatud difusioonikihi kokkusurumise kaudu, samas kui ultraheliga toetatud elektrodepositsiooni alased uuringud näitavad ioonide paremat transporti kavitatsiooni, mikrovoo ja akustilise rõhu mõjude kaudu.

Sünergia: ultraheli ja elektrokeemia

Sono-elektrolüüsi eelis ei seisne mitte ainult selles, et ultraheli “segab” lahendus. Hielscheri Sono-Electro-Probes ühendavad endas ultraheliandurid ja elektroodid, mis viivad elektrokeemilisse süsteemi samaaegselt nii suure intensiivsusega ultraheli kui ka elektrivoolu. Selle puhul on võtmeteguriks kahe energiavälja sünergiline ühendamine: elektrienergia ajendab metallioonide redutseerimisreaktsiooni, samal ajal kui akustiline energia parandab füüsikalisi ja pindadevahelisi tingimusi, milles see reaktsioon toimub.
Selline sünergia võib tuua kaasa mitmeid tööstuslikult olulisi eeliseid:

• Suurem massiülekanne: Ultrahelitöötlus parandab lahustunud metallioonide jõudmist katoodi pinnale, vähendades sellega kohalikku kahanemist.
• Puhamad elektroodipinnad: Kavitation ja akustiline vool aitavad eemaldada passiivseid kihte, nõrgalt kinnitunud osakesi, gaasimulle ja reaktsioonisaadusi.
• Voolutõhususe suurendamise potentsiaal: Aktiivsem elektroodiliides võib vähendada kontsentratsioonipolarisatsiooni ja pinna ummistumisega seotud kadusid, kuigi lõplik kasutegur sõltub elektrolüüdi keemilisest koostisest ja tööpõhimõtetest.
• Ühtlasem sadestumine: Ultraheli abil toimuvat elektrodepositsiooni seostatakse siledamate, tihedamate ja ühtlasemate sadestustega ning peenema terastruktuuriga.
• Kiirem elektrodepositsiooni kineetika: Tõhustatud massiülekande ja pinna aktiveerimise abil on optimeeritud tingimustes võimalik saavutada suuremaid sadestumiskiirusi.
• Difusiooni piirangute vähenemine: Elektroodi piirkihile mõju avaldades võib ultraheli aidata kaasa ühtlasemale sadestumisele isegi siis, kui metallikontsentratsioonid on suhteliselt madalad.
• Keerukate elektrolüütide parem käsitlemine: Ultrahelipõhine segamine võib aidata kaasa suspensioonide, peenosakeste ja raskesti leostuvate vedelike töötlemisele, parandades dispersiooni ja vähendades kohalikku seisakut.

Seetõttu on sono-elektrolüüs eriti atraktiivne hüdrometallurgilistes tsüklites, kus tavapärast elektrolüüsi piiravad aeglane kineetika, halb sademe morfoloogia, kontsentratsioonipolarisatsioon, elektroodide saastumine, gaasimullide katvus või madal metallioonide kontsentratsioon.

Pt-elektroodide tavapärased ja sonoelektrokeemilised lahustumiskiirused.
Uuring ja graafikud: ©Vasile jt., 2021

Metallide kaevandamise tööstuslikud eelised

Metallide tööstuslikul ekstraheerimisel seisneb sonoelektrolüüsi väärtus protsessi intensiivistamises. Lühikese aja jooksul on võimalik potentsiaalselt saada rohkem metalli, saavutades parema sademe morfoloogia ja stabiilsema elemendi töö, eeldusel, et ultraheli võimsus, elektroodide geomeetria, elektrolüüdi koostis ja voolutihedus on omavahel õigesti sobitatud.

Praktikas toetab sono-elektrolüüs järgmisi protsesse:

• Madala kontsentratsiooniga leostusvedelike taaskasutamine: Parem ainevahetus võib aidata säilitada sadestumist ka siis, kui lahustunud metalli kontsentratsioonid ei ole ideaalsed.
• Katoodi kvaliteedi parandamine: Siledamad ja ühtlasemad sadestised võivad lihtsustada järgnevaid protsesse, nagu koorimine, sulatamine, rafineerimine või pulbri käitlemine.
• Väiksem kalduvus saastuda: Pidev pinna uuendamine võib vähendada passiveerimise mõju ja soovimatute pinnakattete tekkimist.
• Kompaktsem protsessilahendus: Kiirem reaktsioonikiirus võib võimaldada kasutada väiksemaid rakke või saavutada suuremat läbilaskevõimet, sõltuvalt protsessi keemilisest koostisest.
• Tõhusam tootmine sekundaarressurssidest: Akude must mass, elektroonikajäätmed, katalüsaatorid, räbu ja tööstusjäägid tekitavad sageli keerukaid leostuslahuseid, mille puhul on kasulik intensiivistada massiülekannet.
• Protsessi parem juhitavus: Kaasaegseid ultrahelisüsteeme saab integreerida partiipõhistesse või pidevatesse tootmisliinidesse ning neid saab reguleerida amplituudi, viibeaega, voolukiirust, temperatuuri ja sisendenergia abil.

Hielscheri sono-elektro-süsteemid on ainulaadsed: sono-elektrood toimib üheaegselt nii ultraheliandurina kui ka elektroodina. Sono-elektro-seadmed on kavandatud skalpeeritavaks vedelike töötlemiseks alates laboratoorsetest katsetest kuni pilootkäitamiseni ja tööstusliku tootmisliini tootmiseni. Suure võimsusega ultraheli, võimalus töötada ööpäevaringselt, tööstuslik vastupidavus ja vähene hooldusvajadus teevad Hielscheri sono-elektro-süsteemid ideaalseks tööstuslikuks sono-elektrolüüsiks.
Lineaarne mastaapimine kontrollitavate parameetrite, nagu amplituud, sisendenergia, voolukiirus, temperatuur ja viibeaeg, abil võimaldab tootmisvõimsust märkimisväärselt suurendada.

Sono-elektrolüüs leostamis-elektrolüüsi protsessiahelas

Tavapärases hüdrometallurgilises tehases toimub elektrolüütiline eraldamine sageli pärast leostamist, tahke-vedel eraldamist, puhastamist ning mõnikord ka lahustiekstraktsiooni või ioonvahetust. Sono-elektrolüütiline eraldamine võib olla integreeritud sellesse järgnevasse taaskasutusetappi, et tõhustada lahustunud metallioonide muundumist tahkeks metalliks.

Tüüpiline protsessiskeem võib välja näha järgmine:

1. Purustatud maaki, kontsentraat, jäätmed või sekundaarne tooraine leotatakse, et sihtmärkmetall lahustuks.
2. Eemaldatakse või vähendatakse lahustumatuid lisandeid, jääkainete koguseid ja soovimatuid faase.
3. Rikkaliku leach-lahuse keemilist koostist on kohandatud selektiivseks elektrolüütiliseks ekstraheerimiseks.
4. Elektrolüüt juhitakse sonoelektroodidega ja tsirkulatsioonisüsteemiga varustatud elektrolüüsikambrisse.
5. Ultrahelitöötlus parandab ioonide transporti ja elektroodi pinna uuenemist, samal ajal kui rakendatud vool kinnitab metalli katoodile.
6. Metalltoode kogutakse kokku ning elektrolüüt suunatakse ringlusse või edasisele töötlemisele.

See kombinatsioon on eriti huvitav juhtudel, kus metallide kaevandustööstus peab töötlema keerulisemaid tooraineid. Paljud tulevased toorained sisaldavad madalamat metallisisaldust, rohkem lisandeid, peenemaid osakesi, segatud keemilisi koostisi või muutuvat koostist. Sono-elektrolüüs pakub võimalust muuta elektrokeemiline eraldamisetapp töökindlamaks, parandades elektrolüüdi ja elektroodi pinna vahelist vastastikmõju.

Sono-elektrokeemiline metallide taaskasutamine: suurem saagis ja madalamad tootmiskulud

Elektroekstraheerimine on juba praegu hüdrometallurgia nurgakivi, kuna selle abil on võimalik veelahustest metalle väärtuslike tahkete toodetena eraldada. Sono-elektroekstraheerimine täiustab tavapärast elektroekstraheerimist, suurendades eraldamise efektiivsust, voolutõhusust ja vähendades energiatarbimist.
Võimsusultraheli ja elektrolüüsi sünergiline toime aitab ületada elektrokeemilise liidese füüsikalisi piiranguid ning toetab intensiivsemat, kontrollitavamat ja potentsiaalselt tõhusamat metalli taaskasutamist. Kaevandamis-, ringlussevõtu- ja metallurgiatööstuses aitab see tehnoloogia ületada lõhet üha keerulisemate lähteainete ja puhtamate, selektiivsemate ning suurema läbilaskevõimega ekstraheerimisviiside vajaduse vahel.

Sono-elektrolüüs kui protsessi intensiivistamise vahend

Metallide kaevandamise tulevik sõltub sellest, kas suudetakse keerulisematest maardlatest rohkem metalli kätte saada. Paljudes piirkondades on kõrge kvaliteediga maagivarud vähenemas, samal ajal kui nõudlus vase, nikli, koobalt, liitiumiga seotud metallide, väärismetallide ja haruldaste elementide järele kasvab. Samal ajal laiendab tööstus oma tähelepanu esmaselt maagilt teisestele ressurssidele, nagu kasutatud patareid, elektroonikajäätmed, katalüsaatorid, tööstusjäätmed ja protsessiveed.
Sono-elektrolüüs pakub selles kontekstis veenvat protsessi intensiivistamise strateegiat. Kombineerides elektrokeemilise metallide taaskasutamise selektiivsust ultraheli kavitatsiooni pindadevahelise mõjuga, on võimalik parandada massiülekannet, elektroodi aktiivsust, sademe morfoloogiat ja protsessi töökindlust. Tööstusettevõtjate jaoks tähendab see tõhusamat teed leotatud metallioonidest taaskasutatava metalltooteni.
Lühidalt öeldes muudab sono-elektrolüüs katoodi pinna dünaamilisemaks reaktsioonitsooniks. Ultrahelitöötlus hoiab elektrokeemilise piirpinda aktiivsena; elektrokeemia muudab lahustunud ioonid metalliks; ning koos moodustavad need võimsa platvormi kaasaegseks hüdrometallurgiliseks ekstraheerimiseks.

Kõrge jõudlusega sono-elektro-andurid ja sono-elektro-reaktorid

Hielscher Ultrasonics on teie pikaajaline kogenud partner suure jõudlusega ultraheli süsteemide jaoks. Toodame ja levitame tipptasemel ultraheli sonde ja reaktoreid, mida kasutatakse kogu maailmas raskeveokite jaoks nõudlikes keskkondades. Sonoelektrokeemia jaoks on Hielscher välja töötanud spetsiaalsed ultraheli sondid, mis võivad toimida katoodi ja / või anoodina, samuti elektrokeemiliste reaktsioonide jaoks sobivad ultraheli reaktorirakud. Ultraheli elektroodid ja rakud on saadaval nii galvaaniliste / voltaatiliste kui ka elektrolüütiliste süsteemide jaoks.
 

Võtke meiega kohe ühendust ja rääkige meile oma elektrokeemiliste protsesside nõuetest! Soovitame teile kõige sobivamaid ultraheli elektroode ja reaktori seadistust!
 

Kirjandus / Viited

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Kuidas muuta väärismetalle odavaks: Sonoelektrokeemiline – hüdrodünaamiline kavitatsioonimeetod plaatinagrupi metallide taaskasutamiseks kasutatud autokatalüsaatoritest. „Ultrasonics Sonochemistry”, 72. köide, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): Sono-Hydro-Gen-protsess (ultraheliga indutseeritud vesiniku tootmine): väljakutsed ja võimalused. International Journal of Hydrogen Energy, 44. köide, 29. number, 2019, lk 14500–14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): Tsüklilise voltammeetria uuring Cu-Zn-sulami kile elektrodepositsiooni kohta: ultrahelitöötluse kestuse mõjuActa Physica Polonica, köide 132, 2017. lk 1087–1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): Sissejuhatus sonoelektrokeemiasse Raamatus: „Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution”, esimene trükk. Toimetaja: Bruno G. Pollet. 2012, John Wiley & Sons, OÜ
• Haas, I.: Mõtted A. (2008): Metallilise magneesiumi nanokübemete süntees sonoelektrokeemia abil. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795–1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri, R. (2014): Polüpürroolkile sonoelektrokeemiline ja elektrokeemiline süntees St-12 terasel ning nende korrosiooni- ja morfoloogilised uuringud. „Advances in Polymer Technology“, 33. köide, 3. number; 2014.
• Sonoelektrokeemiline süntees parandab keemiatööstuse tõhusust