الکترووینینگ به کمک فراصوت برای استخراج صنعتی فلزات

با افزایش مداوم تقاضای جهانی برای مس، نیکل، کبالت، روی، نقره، طلا، فلزات کمیاب و مواد مرتبط با باتری، تولیدکنندگان فلزات تحت فشارند تا ارزش بیشتری از سنگ‌های معدنی، کنسانتره‌ها، باطله‌ها، جریان‌های بازیافتی و خوراک‌های کم‌عیار بازیابی کنند. در هیدرومتالورژی، یکی از جاافتاده‌ترین روش‌های بازیابی فلزات، الکترووینینگ است که استخراج الکتریکی نیز نامیده می‌شود: یون‌های فلزی حل‌شده با اعمال جریان الکتریکی از محلول لیچینگ بازیابی می‌شوند؛ این جریان یون‌ها را احیا می‌کند و فلز را روی کاتد رسوب می‌دهد.

الکترووینینگ به کمک فراصوت برای بهبود بازیابی هیدرومتالورژیکی فلزات

الکترووینینگ به کمک فراصوت با ترکیب الکترووینینگ و فراصوت با شدت بالا، این اصل را پیش می‌برد. حاصل، فرایندی سونوالکتروشیمیایی است که در آن کاویتاسیون آکوستیکی، ریزجریان‌ها و احیای الکتروشیمیایی با هم عمل می‌کنند. الکترووینینگ به کمک فراصوت، به‌جای اتکای صرف به پتانسیل الکتریکی و گردش متداول الکترولیت، اختلاط موضعی شدیدی را مستقیماً در فصل مشترک الکترود یا نزدیک آن ایجاد می‌کند؛ همان جایی که رسوب‌گذاری فلز واقعاً رخ می‌دهد. گزارش‌های متعددی نشان می‌دهند که فراصوت انتقال جرم را تقویت می‌کند، لایهٔ نفوذ را برهم می‌زند، سطوح الکترود را پاک می‌کند، حباب‌های گاز را می‌زداید و به افزایش سرعت فرایندهای الکتروشیمیایی کمک می‌کند.

پروب‌های سونوالکتریکی: 2 مبدل فراصوتی به‌ترتیب آند و کاتد را به ارتعاش درمی‌آورند. الکترودهای فراصوتی یا پروب‌های سونوالکتریکی، برای بهبود الکترووینینگ، هم‌زمان به‌عنوان الکترود و پروب فراصوتی عمل می‌کنند.

از سنگ معدن تا کاتد: رسوب‌دهی الکتریکی به کمک فراصوت چگونه کار می‌کند

الکترووینینگ صنعتی معمولاً با لیچینگ آغاز می‌شود. در این مرحلهٔ بالادستی، فلز هدف از سنگ معدن، کنسانتره، پسماند فرایند، سرباره، بلک‌مس، پسماند الکترونیکی یا دیگر خوراک‌های متالورژیکی در یک محلول آبی حل می‌شود. بسته به ماهیت شیمیایی فلز و سنگ معدن، عامل لیچینگ ممکن است اسیدی، قلیایی، بر پایهٔ کلرید، سولفات یا سیانید، آمونیاکی، بر پایهٔ اسید آلی یا دارای ترکیب شیمیایی دیگری باشد که برای حل‌کردن فاز فلزی ارزشمند تنظیم شده است.
پس از لیچینگ، محلول باردار لیچینگ معمولاً زلال‌سازی و تصفیه می‌شود و از نظر pH، رسانایی، دما، غلظت فلز و نوع و میزان ناخالصی‌ها تنظیم می‌شود. در سلول الکترووینینگ، این الکترولیت حاوی فلز بین آند و کاتد جریان می‌یابد. با اعمال جریان کنترل‌شده، یون‌های فلزی حل‌شده مهاجرت می‌کنند و در سطح کاتد احیا می‌شوند و در آنجا رسوب فلزی جامد تشکیل می‌دهند. در الکترووینینگ به کمک فراصوت، فراصوت به این محیط الکتروشیمیایی وارد می‌شود تا انرژی آکوستیکی انتقال یون‌ها و نوسازی لایهٔ مرزی الکترود را تشدید کند.

به زبان ساده، توالی فرایند به این صورت است:

• لیچینگ: فلزات ارزشمند از سنگ معدن یا مادهٔ اولیهٔ ثانویه در محلول حل می‌شوند.
• آماده‌سازی محلول: محلول لیچینگ برای بهبود گزینش‌پذیری و رفتار رسوب‌گذاری تصفیه یا تنظیم می‌شود.
• رسوب‌دهی سونوالکتروشیمیایی: فراصوت و جریان الکتریکی به‌طور هم‌زمان در سلول الکترووینینگ عمل می‌کنند.
• بازیابی محصول کاتدی: بسته به طراحی فرایند، رسوبات فلزی به‌شکل ورق، پودر، اسفنج، فویل یا دیگر شکل‌های رسوب برداشت می‌شوند.
• بازگردش الکترولیت: الکترولیت تهی‌شده از فلز را می‌توان بازسازی یا بازیافت کرد یا به مدار هیدرومتالورژی بازگرداند.

چرا فراصوت‌دهی الکترووینینگ را بهبود می‌دهد

گلوگاه اصلی در بسیاری از سامانه‌های الکترووینینگ صرفاً خود واکنش الکتریکی نیست. تأمین یون‌های فلزی تازه در سطح کاتد، حذف محصولات واکنش و حباب‌های گاز و حفظ فصل مشترک فعال، پاک و همگن الکترود نیز از گلوگاه‌های اصلی هستند. فراصوت مستقیماً این محدودیت‌ها را برطرف می‌کند.
وقتی فراصوت پرتوان وارد الکترولیت می‌شود، کاویتاسیون آکوستیکی ایجاد می‌کند: حباب‌های میکروسکوپی تشکیل می‌شوند، نوسان می‌کنند و فرومی‌پاشند. این فروپاشی‌ها ریزجت‌ها، امواج ضربه‌ای و برش موضعی شدید ایجاد می‌کنند. در فرآوری فاز مایع، این پدیده می‌تواند اختلاط موضعی، ریزاختلاط، پراکنده‌سازی، کلوخه‌زدایی و تسریع انتقال در فصل مشترک را به همراه داشته باشد.
فناوری فراصوتی و سونوالکتریکی Hielscher بر کاویتاسیون آکوستیکی کنترل‌شده برای فرآوری مایعات استوار است؛ در این فناوری، امواج فراصوت میدان‌های کاویتاسیون ایجاد می‌کنند که برش، امواج ضربه‌ای، ریزجت‌ها و انتقال تکرارپذیر انرژی به سیالات، سوسپانسیون‌ها و دوغاب‌ها را به وجود می‌آورند.
در الکترووینینگ، این اثرات به‌ویژه ارزشمندند، زیرا واکنش الکتروشیمیایی در یک سطح رخ می‌دهد. فراصوت می‌تواند گرادیان‌های غلظت را نزدیک الکترود کاهش دهد، لایهٔ نفوذ را فشرده کند یا برهم بزند و یون‌های فلزی تازه را پیوسته به کاتد برساند. پژوهش‌های اخیر دربارهٔ انتقال جرم الکتروشیمیایی تقویت‌شده با فراصوت، افزایش جریان را از طریق فشرده‌شدن لایهٔ نفوذ بر اثر جریان آکوستیکی توصیف می‌کنند؛ درحالی‌که پژوهش‌های مربوط به رسوب‌دهی الکتریکی به کمک فراصوت، بهبود انتقال یون را از طریق کاویتاسیون، ریزجریان و اثرات فشار آکوستیکی گزارش می‌کنند.

هم‌افزایی: فراصوت‌دهی در کنار الکتروشیمی

مزیت الکترووینینگ به کمک فراصوت صرفاً این نیست که فراصوت محلول را «هم می‌زند». Hielscher Sono-Electro-Probes پروب‌های فراصوتی و الکترودها را با هم ترکیب می‌کنند و به‌طور هم‌زمان فراصوت با شدت بالا و جریان الکتریکی را وارد یک سامانهٔ الکتروشیمیایی می‌کنند. نکتهٔ کلیدی در اینجا کوپل‌شدن هم‌افزای دو میدان انرژی است: انرژی الکتریکی واکنش احیای یون فلزی را پیش می‌برد، درحالی‌که انرژی آکوستیکی شرایط فیزیکی و فصل مشترکی را که واکنش در آن رخ می‌دهد، بهبود می‌بخشد.
این هم‌افزایی می‌تواند چندین مزیت کاربردی برای صنعت ایجاد کند:

• انتقال جرم بیشتر: فراصوت‌دهی تأمین یون‌های فلزی حل‌شده در سطح کاتد را بهبود می‌دهد و افت موضعی غلظت را کاهش می‌دهد.
• سطوح پاک‌تر الکترود: کاویتاسیون و جریان آکوستیکی به حذف لایه‌های غیرفعال‌کننده، ذرات با اتصال سست، حباب‌های گاز و محصولات واکنش کمک می‌کنند.
• امکان بهبود بازده جریان: فصل مشترک فعال‌تر الکترود می‌تواند تلفات ناشی از قطبش غلظتی و مسدودشدن سطح را کاهش دهد، هرچند بازده نهایی به شیمی الکترولیت و پارامترهای عملیاتی بستگی دارد.
• رسوب‌گذاری یکنواخت‌تر: رسوب‌دهی الکتریکی به کمک فراصوت با رسوبات صاف‌تر، متراکم‌تر و یکنواخت‌تر و ساختارهای ریزدانه‌تر همراه بوده است.
• سینتیک سریع‌تر رسوب‌دهی الکتریکی: تقویت انتقال جرم و فعال‌سازی سطح می‌تواند در شرایط بهینه‌شده، سرعت‌های بالاتر رسوب‌گذاری را امکان‌پذیر کند.
• کاهش محدودیت‌های نفوذ: فراصوت با برهم‌زدن لایهٔ مرزی الکترود می‌تواند حتی در غلظت‌های نسبتاً پایین فلز، به رسوب‌گذاری پایدارتر کمک کند.
• مدیریت بهتر الکترولیت‌های پیچیده: هم‌زدن فراصوتی با بهبود پراکنده‌سازی و کاهش سکون موضعی، می‌تواند به فرآوری سوسپانسیون‌ها، ذرات ریز و محلول‌های لیچینگ دشوار برای فرآوری کمک کند.

این ویژگی‌ها الکترووینینگ به کمک فراصوت را به‌ویژه برای مدارهای هیدرومتالورژیکی جذاب می‌کند که در آن‌ها الکترووینینگ متداول به‌دلیل سینتیک کند، ریخت‌شناسی نامطلوب رسوب، قطبش غلظتی، گرفتگی الکترود، پوشیده‌شدن سطح با حباب‌های گاز یا غلظت پایین یون فلزی محدود می‌شود.

مقایسهٔ سرعت‌های انحلال الکترودهای Pt به روش متداول و سونوالکتروشیمیایی.
پژوهش و نمودارها: ©Vasile et al., 2021

مزایای صنعتی برای استخراج فلزات

در استخراج صنعتی فلزات، ارزش الکترووینینگ به کمک فراصوت در تشدید فرایند نهفته است. به‌طور بالقوه می‌توان فلز بیشتری را در زمان کوتاه‌تر، با ریخت‌شناسی بهتر رسوب و عملکرد پایدارتر سلول بازیابی کرد، مشروط بر آنکه توان فراصوت‌دهی، هندسهٔ الکترود، ترکیب الکترولیت و چگالی جریان به‌درستی با یکدیگر هماهنگ شوند.

در عمل، الکترووینینگ به کمک فراصوت از موارد زیر پشتیبانی می‌کند:

• بازیابی از محلول‌های لیچینگ کم‌عیار: انتقال جرم بهتر می‌تواند هنگامی که غلظت فلزات حل‌شده ایدئال نیست، به تداوم رسوب‌گذاری کمک کند.
• بهبود کیفیت کاتد: رسوبات صاف‌تر و یکنواخت‌تر می‌توانند جداسازی رسوب از کاتد، ذوب، پالایش یا جابه‌جایی پودر را در مراحل پایین‌دستی ساده‌تر کنند.
• تمایل کمتر به گرفتگی: نوسازی پیوستهٔ سطح می‌تواند تأثیر غیرفعال‌شدن و لایه‌های سطحی ناخواسته را کاهش دهد.
• طراحی فشرده‌تر فرایند: بسته به شیمی فرایند، سینتیک سریع‌تر ممکن است استفاده از سلول‌های کوچک‌تر یا دستیابی به ظرفیت پردازش بالاتر را امکان‌پذیر کند.
• تقویت بازیابی از منابع ثانویه: بلک‌مس باتری، پسماندهای الکترونیکی، کاتالیزورها، سرباره‌ها و پسماندهای صنعتی اغلب محلول‌های لیچینگ پیچیده‌ای ایجاد می‌کنند که تشدید انتقال جرم در آن‌ها ارزشمند است.
• کنترل‌پذیری بهتر فرایند: سامانه‌های فراصوتی مدرن را می‌توان در آرایش‌های ناپیوسته یا پیوستهٔ درون‌خطی ادغام کرد و از طریق دامنه، زمان ماند، دبی، دما و انرژی ورودی تنظیم کرد.

سامانه‌های سونوالکتریکی Hielscher منحصربه‌فردند: الکترود فراصوتی هم‌زمان به‌عنوان پروب فراصوتی و الکترود عمل می‌کند. آرایش‌های سونوالکتریکی بر مبنای فرآوری مقیاس‌پذیر مایعات، از آزمون‌های آزمایشگاهی تا بهره‌برداری پایلوت و تولید صنعتی درون‌خطی، طراحی شده‌اند. فراصوت پرتوان، قابلیت کارکرد پیوستهٔ 24/7، استحکام در حد کاربردهای صنعتی و نیاز کم به نگهداری، سامانه‌های سونوالکتریکی Hielscher را برای الکترووینینگ صنعتی به کمک فراصوت ایدئال می‌کنند.
افزایش مقیاس خطی از طریق پارامترهای کنترل‌شده‌ای مانند دامنه، انرژی ورودی، دبی، دما و زمان ماند، افزایش ظرفیت‌های تولید را به‌طور چشمگیری تسهیل می‌کند.

الکترووینینگ به کمک فراصوت در زنجیرهٔ لیچینگ–الکترووینینگ

در یک کارخانهٔ هیدرومتالورژی متداول، الکترووینینگ اغلب پس از لیچینگ، جداسازی جامد–مایع، تصفیه و گاهی استخراج با حلال یا تبادل یونی قرار می‌گیرد. الکترووینینگ به کمک فراصوت را می‌توان در این مرحلهٔ پایین‌دستی بازیابی ادغام کرد تا تبدیل یون‌های فلزی حل‌شده به فلز جامد تشدید شود.

یک مسیر معمول فرایند می‌تواند به این صورت باشد:

1. سنگ معدن خردشده، کنسانتره، باطله یا مادهٔ اولیهٔ ثانویه برای حل‌شدن فلز هدف تحت لیچینگ قرار می‌گیرد.
2. گانگ نامحلول، جامدات باقی‌مانده و فازهای ناخواسته حذف می‌شوند یا مقدارشان کاهش می‌یابد.
3. محلول باردار لیچینگ از نظر شیمیایی برای الکترووینینگ گزینشی تنظیم می‌شود.
4. الکترولیت به یک سلول الکترووینینگ مجهز به الکترودهای فراصوتی و سامانهٔ گردش تغذیه می‌شود.
5. فراصوت‌دهی انتقال یون و نوسازی سطح الکترود را بهبود می‌دهد، درحالی‌که جریان اعمال‌شده فلز را روی کاتد می‌نشاند.
6. محصول فلزی برداشت می‌شود و الکترولیت بازیافت می‌شود یا برای تصفیهٔ بیشتر ارسال می‌شود.

این ترکیب به‌ویژه در جایی جذاب است که صنعت استخراج فلزات نیاز به فرآوری منابع چالش‌برانگیزتر دارد. بسیاری از خوراک‌های آینده دارای عیار فلزی پایین‌تر، ناخالصی بیشتر، ذرات ریزتر، ترکیبات شیمیایی مختلط یا ترکیب متغیر هستند. الکترووینینگ به کمک فراصوت با بهبود برهم‌کنش میان الکترولیت و سطح الکترود، راهی برای افزایش پایداری عملکرد مرحلهٔ بازیابی الکتروشیمیایی ارائه می‌دهد.

بازیابی سونوالکتروشیمیایی فلزات: بازده بالاتر با هزینه‌های کمتر فرایند

الکترووینینگ هم‌اکنون یکی از ارکان هیدرومتالورژی است، زیرا می‌تواند فلزات را از محلول‌های آبی به‌شکل محصولات جامد باارزش بازیابی کند. الکترووینینگ به کمک فراصوت با بهبود بازده بازیابی، بازده جریان و مصرف انرژی، استخراج الکتریکی متداول را ارتقا می‌دهد.
اثرات هم‌افزای فراصوت پرتوان و الکترووینینگ، محدودیت‌های فیزیکی فصل مشترک الکتروشیمیایی را برطرف می‌کنند و به بازیابی شدیدتر، کنترل‌شده‌تر و به‌طور بالقوه کارآمدتر فلزات کمک می‌کنند. در عملیات معدن‌کاری، بازیافت و متالورژی، این فناوری به پرکردن فاصله میان خوراک‌های روزبه‌روز پیچیده‌تر و نیاز به مسیرهای استخراج پاک‌تر، گزینشی‌تر و دارای ظرفیت پردازش بالاتر کمک می‌کند.

الکترووینینگ به کمک فراصوت به‌عنوان ابزاری برای تشدید فرایند

آیندهٔ استخراج فلزات به بازیابی فلز بیشتر از منابع دشوارتر وابسته خواهد بود. سنگ‌های معدنی پرعیار در بسیاری از مناطق رو به کاهش‌اند، درحالی‌که تقاضا برای مس، نیکل، کبالت، فلزات مرتبط با لیتیوم، فلزات گران‌بها و عناصر کمیاب افزایش می‌یابد. هم‌زمان، صنعت دامنهٔ توجه خود را از سنگ‌های معدنی اولیه به منابع ثانویه، مانند باتری‌های مستعمل، ضایعات الکترونیکی، کاتالیزورها، پسماندهای صنعتی و آب‌های فرایندی گسترش می‌دهد.
الکترووینینگ به کمک فراصوت راهبردی جذاب برای تشدید فرایند در این شرایط ارائه می‌دهد. با ترکیب گزینش‌پذیری بازیابی الکتروشیمیایی فلزات و قدرت اثرگذاری کاویتاسیون فراصوتی در فصل مشترک، این روش می‌تواند انتقال جرم، فعالیت الکترود، ریخت‌شناسی رسوب و پایداری عملکرد فرایند را بهبود دهد. برای بهره‌برداران صنعتی، این به معنای مسیری مؤثرتر از یون‌های فلزی حاصل از لیچینگ تا محصول فلزی قابل‌بازیابی است.
به‌طور خلاصه، الکترووینینگ به کمک فراصوت سطح کاتد را به ناحیهٔ واکنش پویاتری تبدیل می‌کند. فراصوت‌دهی فصل مشترک الکتروشیمیایی را فعال نگه می‌دارد؛ الکتروشیمی یون‌های حل‌شده را به فلز تبدیل می‌کند؛ و این دو در کنار هم بستری قدرتمند برای استخراج هیدرومتالورژیکی مدرن ایجاد می‌کنند.

Sono-Electro-Probes و SonoElectroReactors با عملکرد بالا

Hielscher Ultrasonics شریک باسابقه و باتجربهٔ شما در زمینهٔ سامانه‌های فراصوتی با عملکرد بالا است. ما پروب‌ها و راکتورهای فراصوتی پیشرفته‌ای را تولید و عرضه می‌کنیم که در سراسر جهان برای کاربردهای سنگین در محیط‌های دشوار استفاده می‌شوند. Hielscher برای سونوالکتروشیمی، پروب‌های فراصوتی ویژه‌ای توسعه داده است که می‌توانند به‌عنوان کاتد و/یا آند عمل کنند؛ همچنین سلول‌های راکتور فراصوتی مناسب برای واکنش‌های الکتروشیمیایی را توسعه داده است. الکترودها و سلول‌های فراصوتی برای سامانه‌های گالوانی / ولتایی و نیز سامانه‌های الکترولیتی عرضه می‌شوند.
 

همین حالا با ما تماس بگیرید و نیازهای فرایند الکتروشیمیایی خود را با ما در میان بگذارید! ما مناسب‌ترین الکترودهای فراصوتی و آرایش راکتور را به شما پیشنهاد خواهیم کرد!
 

منابع علمی / مراجع

• 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