Sono-elektrolyyttinen uuttaminen teollisessa metallin uuttamisessa

Kun kuparin, nikkelin, koboltin, sinkin, hopean, kullan, harvinaisten metallien ja akkujen valmistuksessa tarvittavien materiaalien maailmanlaajuinen kysyntä kasvaa jatkuvasti, metallintuottajat joutuvat paineen alle saada enemmän arvoa irti malmeista, rikasteista, rikastushiekasta, kierrätysvirroista ja matalapitoisista raaka-aineista. Hydrometallurgiassa yksi vakiintuneimmista metallin talteenottomenetelmistä on sähkölyönti, joka tunnetaan myös nimellä elektroekstraktio: liuenneet metalli-ionit otetaan talteen liuotusliuoksesta sähkövirtaa käyttämällä, jolloin ionit pelkistyvät ja metalli kerrostuu katodille.

Sono-elektrolyyttinen talteenotto metallien hydrometallurgisen talteenoton tehostamiseksi

Sono-elektrolyyttinen talteenotto kehittää tätä periaatetta yhdistämällä elektrolyyttisen talteenoton ja suuritehoisen ultraäänen. Tuloksena on sonoelektrokemiallinen prosessi, jossa akustinen kavitaatio, mikrovirtaukset ja sähkökemiallinen pelkistys toimivat yhdessä. Sen sijaan, että luotettaisiin pelkästään sähköpotentiaaliin ja perinteiseen elektrolyytin kiertoon, sonoelektrolyyttinen erottelu tuo mukanaan voimakkaan paikallisen sekoittumisen suoraan elektrodin rajapinnalle tai sen läheisyyteen, missä metallin saostuminen tosiasiallisesti tapahtuu. Ultraäänen on laajalti raportoitu tehostavan massansiirtoa, häiritsevän diffuusiokerrosta, puhdistavan elektrodipintoja, poistavan kaasukuplia ja tukevan suurempia sähkökemiallisia reaktioasteita.

Sono-elektro-anturit: Kaksi ultraäänimuunninta värisyttävät vastaavasti anodia ja katodia. Sono-elektrodit tai sono-elektro-anturit toimivat samanaikaisesti sekä elektrodeina että ultraääniantureina, mikä parantaa sähkösulatuksen tehokkuutta.

Malmin raaka-aineesta katodiin: miten ultraäänielektrolyyttinen pinnoitus toimii

Teollinen sähkökäyttöinen metallin erottelu alkaa yleensä liuottamisella. Tässä alkuvaiheessa kohdemetalli liuotetaan malmista, rikasteesta, prosessijätteestä, kuonasta, mustamassasta, elektroniikkajätteestä tai muusta metallurgisesta raaka-aineesta vesiliuokseen. Metallin ja malmin kemiallisesta koostumuksesta riippuen liuotusaine voi olla hapan, emäksinen, kloridipohjainen, sulfaattipohjainen, syanidipohjainen, ammoniakkipitoinen, orgaanisen hapon pohjainen tai muuten kemiallisesti räätälöity arvokkaan metallifaasin liuottamiseksi.
Uuttamisen jälkeen rikas uuttoliuos yleensä kirkastetaan, puhdistetaan ja sen pH-arvoa, johtokykyä, lämpötilaa, metallipitoisuutta ja epäpuhtausprofiilia säädetään. Sähkölyöntikennossa tämä metallia sisältävä elektrolyytti virtaa anodin ja katodin välillä. Kun siihen johdetaan säädeltyä virtaa, liuenneet metalli-ionit siirtyvät ja pelkistyvät katodin pinnalla, jossa ne muodostavat kiinteän metallikerrostuman. Sono-sähkölyönnissä tähän sähkökemialliseen ympäristöön johdetaan ultraääntä, jolloin akustinen energia tehostaa ionien kulkeutumista ja elektrodin rajakerroksen uudistumista.

Yksinkertaisesti sanottuna prosessin vaiheet ovat seuraavat:

• Liukeneminen: Arvometallit liuotetaan malmista tai sekundaarisista raaka-aineista liuokseen.
• Liuoksen käsittely: Uuttoliuos puhdistetaan tai sille tehdään säätöjä selektiivisyyden ja saostumiskäyttäytymisen parantamiseksi.
• Sonoelektrokemiallinen pinnoitus: Ultraääni ja sähkövirta vaikuttavat samanaikaisesti sähkökäyttöisessä elektrolyysikennossa.
• Katodin talteenotto: Metallikerrostumat kerätään levyinä, jauheena, huopana, kalvona tai muissa muodoissa prosessin suunnittelun mukaan.
• Elektrolyytin kierrätys: Käytetty elektrolyytti voidaan regeneroida, kierrättää tai palauttaa hydrometallurgiseen kierrokseen.

Miksi ultraäänikäsittely parantaa sähkösulatusprosessia

Monissa sähkökäyttöisissä metallinvalmistusjärjestelmissä suurin pullonkaula ei ole pelkästään itse sähköreaktio. Se on uusien metalli-ionien syöttö katodipinnalle, reaktiotuotteiden ja kaasukuplien poisto sekä aktiivisen, puhtaan ja homogeenisen elektrodirajapinnan ylläpito. Ultraääni ratkaisee nämä rajoitukset suoraan.
Kun suuritehoinen ultraääni tunkeutuu elektrolyyttiin, se aiheuttaa akustista kavitaatiota: mikroskooppisen pieniä kuplia muodostuu, ne värähtelevät ja romahtavat. Nämä romahdukset synnyttävät mikrosuihkuja, paineaaltoja ja voimakasta paikallista leikkausvoimaa. Nestevaiheen prosessoinnissa tämä voi aiheuttaa paikallista sekoittumista, mikrosekoittumista, dispersiota, agglomeraattien hajoamista ja rajapinnan kuljetuksen kiihtymistä.
Hielscherin ultraääni- ja sono-elektroteknologia perustuu hallittuun akustiseen kavitaatioon nesteiden käsittelyssä, jossa ultraääniaallot luovat kavitaatiokenttiä, jotka tuottavat leikkausvoimia, paineaaltoja, mikrosuihkuja ja toistettavaa energian siirtoa nesteisiin, suspensioihin ja lietteisiin.
Sähkölyönnissä nämä vaikutukset ovat erityisen arvokkaita, koska sähkökemiallinen reaktio tapahtuu pinnalla. Ultraääni voi vähentää pitoisuusgradientteja elektrodin läheisyydessä, tiivistää tai hajottaa diffuusiokerroksen sekä tuoda jatkuvasti uusia metalli-ioneja katodiin. Viimeaikaisissa tutkimuksissa ultraäänellä tehostetusta sähkökemiallisesta massansiirrosta on kuvattu virran tehostumista akustisen virtauksen aiheuttaman diffuusiokerroksen tiivistymisen kautta, kun taas ultraäänellä avustettua elektrolyyttistä pinnoitusta koskevissa tutkimuksissa on raportoitu ioninsiirron parantumisesta kavitaation, mikrovirtauksen ja akustisen paineen vaikutusten ansiosta.

Synergia: ultraäänikäsittely ja sähkökemia

Sono-elektrolyyttisen talteenoton etuna ei ole pelkästään se, että ultraääni “sekoittaa” Ratkaisu. Hielscherin Sono-Electro-Probes -anturit yhdistävät ultraäänianturit ja elektrodit, jotka syöttävät samanaikaisesti voimakasta ultraääntä ja sähkövirtaa sähkökemialliseen järjestelmään. Tässä avainasemassa on kahden energiakentän synergistinen kytkentä: sähköenergia ajaa metalli-ionien pelkistysreaktiota, kun taas akustinen energia parantaa niitä fysikaalisia ja rajapintaolosuhteita, joissa reaktio tapahtuu.
Tämä synergia voi tuoda mukanaan useita teollisuuden kannalta merkittäviä etuja:

• Tehokkaampi aineenvaihto: Ultraäänikäsittely parantaa liuenneiden metalli-ionien kulkeutumista katodin pinnalle, mikä vähentää paikallista ionien ehtymistä.
• Puhtaammat elektrodipinnat: Kavitaatio ja akustinen virtaus auttavat poistamaan passivointikalvoja, löyhästi kiinnittyneitä hiukkasia, kaasukuplia ja reaktiotuotteita.
• Mahdollisuus parantaa virrantehokkuutta: Aktiivisempi elektrodiliitäntä voi vähentää pitoisuuspolarisaatioon ja pinnan tukkeutumiseen liittyviä häviöitä, vaikka lopullinen hyötysuhde riippuu elektrolyytin kemiallisista ominaisuuksista ja toimintaparametreista.
• Tasaisempi kerrostuminen: Ultraäänellä avustettu elektrolyyttinen pinnoitus on yhdistetty sileämpiin, tiheämpiin ja tasaisempiin pinnoitteisiin sekä hienompiin raerakenteisiin.
• Nopeampi elektrolyyttinen pinnoituskinetiikka: Parannettu aineensiirto ja pinnan aktivointi voivat mahdollistaa suuremmat kerrostumisnopeudet optimoiduissa olosuhteissa.
• Diffuusion rajoitusten väheneminen: Häiritsemällä elektrodin rajakerrosta ultraääni voi edistää tasaisempaa kerrostumista, vaikka metallipitoisuudet olisivatkin suhteellisen alhaiset.
• Monimutkaisten elektrolyyttien parempi käsittely: Ultraäänisekoitus voi helpottaa suspensioiden, hienojakoisten hiukkasten ja vaikeasti uuttuvien liuosten käsittelyä parantamalla dispergoitumista ja vähentämällä paikallista pysähtyneisyyttä.

Tämä tekee sono-elektrolyyttisestä talteenotosta erityisen houkuttelevan vaihtoehdon hydrometallurgisissa prosessiketjuissa, joissa perinteistä elektrolyyttistä talteenottoa rajoittavat hidas reaktiokinetiikka, huono saostuman morfologia, pitoisuuspolarisaatio, elektrodien likaantuminen, kaasukuplien peitto tai alhainen metalli-ionipitoisuus.

Pt-elektrodien perinteiset ja sonoelektrokemialliset liukenemisnopeudet.
Tutkimus ja kaaviot: ©Vasile ym., 2021

Metallin louhinnan teolliset edut

Metallien teollisessa uuttamisessa sono-sähköuuttamisen etuna on prosessin tehostuminen. Menetelmällä voidaan mahdollisesti talteenottaa enemmän metallia lyhyemmässä ajassa, ja samalla saadaan parempi saostuman morfologia sekä vakaampi kennon toiminta, edellyttäen että ultraääniteho, elektrodien muoto, elektrolyytin koostumus ja virrantiheys on sovitettu toisiinsa asianmukaisesti.

Käytännössä sono-elektrolyyttinen talteenotto tukee seuraavia asioita:

• Talteenotto matala-asteisista liuotusnesteistä: Parempi aineensiirto voi auttaa ylläpitämään saostumista, kun liuenneiden metallien pitoisuudet eivät ole ihanteelliset.
• Parannettu katodin laatu: Tasaisemmat ja yhtenäisemmät kerrostumat voivat helpottaa myöhempiä prosessivaiheita, kuten irrottamista, sulatusta, jalostusta tai jauheen käsittelyä.
• Pienempi likaantumisalttius: Pinnan jatkuva uudistaminen voi vähentää passivoinnin vaikutuksia ja ei-toivottujen pintakalvojen muodostumista.
• Kompaktimpi prosessisuunnittelu: Nopeampi reaktiokinetiikka voi mahdollistaa pienempien solujen käytön tai suuremman läpimenokapasiteetin, prosessin kemiallisista ominaisuuksista riippuen.
• Toissijaisten raaka-aineiden hyödyntämisen tehostaminen: Akkujen musta massa, elektroniikkajäte, katalyytit, kuona ja teollisuusjätteet tuottavat usein monimutkaisia liuotusliuoksia, joissa tehostettu aineensiirto on hyödyllistä.
• Parempi prosessin hallittavuus: Nykyaikaiset ultraäänijärjestelmät voidaan integroida erä- tai jatkuvatoimisiin tuotantolinjoihin, ja niitä voidaan säätää amplitudin, viipymäajan, virtausnopeuden, lämpötilan ja syötetyn energian avulla.

Hielscherin sono-elektrojärjestelmät ovat ainutlaatuisia: sono-elektrodi toimii samanaikaisesti ultraäänikärkenä ja elektrodina. Sono-elektrojärjestelmät on suunniteltu skaalautuvaan nesteenkäsittelyyn laboratoriotestauksesta pilottikäyttöön ja teolliseen linjatuotantoon. Suuritehoinen ultraääni, kyky toimia jatkuvasti ympäri vuorokauden, teollisuustason kestävyys ja vähäinen huoltotarve tekevät Hielscherin sono-elektrojärjestelmistä ihanteellisia teolliseen sono-elektrolyyttiseen metallin erotteluun.
Lineaarinen mittakaavan laajentaminen hallittujen parametrien, kuten amplitudin, syötetyn energian, virtausnopeuden, lämpötilan ja viipymäajan avulla, mahdollistaa tuotantokapasiteetin merkittävän kasvun.

Sono-elektrolyyttinen talteenotto liuotus-elektrolyyttinen talteenotto -prosessiketjussa

Perinteisessä hydrometallurgisessa laitoksessa sähkösulatus tapahtuu usein liuotuksen, kiinteän aineen ja nesteen erottelun, puhdistuksen sekä toisinaan liuotinuuton tai ioninvaihdon jälkeen. Sono-sähkösulatus voidaan integroida tähän loppupään talteenottovaiheeseen liuenneiden metalli-ionien muuntamisen kiinteäksi metalliksi tehostamiseksi.

Tyypillinen prosessiketju voi näyttää tältä:

1. Murskattu malmi, rikaste, rikastushiekka tai toissijainen raaka-aine liuotetaan kohdemetallin liuottamiseksi.
2. Liukenematon sivukivi, jäännöskiintoaineet ja ei-toivotut faasit poistetaan tai niiden määrää vähennetään.
3. Raskaana oleva leach-liuos on kemiallisesti säädetty selektiivistä sähkösulatusta varten.
4. Elektrolyytti syötetään elektrolyysikammioon, joka on varustettu sonoelektrodeilla ja kiertokierrolla.
5. Ultraäänikäsittely parantaa ionien kulkua ja elektrodipinnan uudistumista, kun taas syötetty virta kiinnittää metallin katodiin.
6. Metallituote otetaan talteen, ja elektrolyytti kierrätetään tai ohjataan jatkokäsittelyyn.

Tämä yhdistelmä on erityisen kiinnostava tilanteissa, joissa metallinjalostusteollisuuden on käsiteltävä haastavampia raaka-aineita. Monissa tulevaisuuden raaka-aineissa metallipitoisuudet ovat alhaisempia, epäpuhtauksia on enemmän, hiukkaset ovat hienompia, kemialliset koostumukset ovat sekavia tai koostumus vaihtelee. Sono-sähkölyöntimenetelmä tarjoaa keinon tehdä sähkökemiallisesta talteenottovaiheesta vakaampaa parantamalla elektrolyytin ja elektrodin pinnan välistä vuorovaikutusta.

Sono-elektrokemiallinen metallin talteenotto: suuremmat saannot ja alhaisemmat prosessikustannukset

Sähkölyönti on jo nyt hydrometallurgian kulmakivi, sillä sen avulla voidaan talteenottaa metalleja vesiliuoksista arvokkaina kiinteinä tuotteina. Sono-sähkölyönti parantaa perinteistä sähkölyöntiä lisäämällä talteenottotehokkuutta, virrantehokkuutta ja vähentämällä energiankulutusta.
Tehokkaan ultraäänen ja sähkösulatuksen synergistiset vaikutukset ratkaisevat sähkökemiallisen rajapinnan fyysiset rajoitukset ja mahdollistavat entistä intensiivisemmän, hallitumman ja potentiaalisesti tehokkaamman metallin talteenoton. Kaivos-, kierrätys- ja metallurgisissa toiminnoissa tämä teknologia auttaa kaventamaan kuilua yhä monimutkaisempien raaka-aineiden ja puhtaampien, valikoivampien sekä suuremman läpimenokapasiteetin omaavien uuttomenetelmien tarpeen välillä.

Sono-elektrolyyttinen talteenotto prosessin tehostamisen välineenä

Metallien louhinnan tulevaisuus riippuu siitä, pystytäänkö vaikeammin hyödynnettävistä malmivaroista talteen ottamaan entistä enemmän metallia. Korkealaatuisten malmien esiintymät ovat vähenemässä monilla alueilla, kun taas kuparin, nikkelin, koboltin, litiumiin liittyvien metallien, jalometallien ja harvinaisten alkuaineiden kysyntä kasvaa. Samalla teollisuus laajentaa painopistettään primaarimalmeista sekundaarisiin raaka-aineisiin, kuten käytettyihin akkuihin, elektroniikkaromuihin, katalyytteihin, teollisuusjätteisiin ja prosessivesiin.
Sono-elektrolyyttinen talteenotto tarjoaa tähän tilanteeseen houkuttelevan prosessin tehostamisstrategian. Yhdistämällä sähkökemiallisen metallin talteenoton selektiivisyyden ja ultraäänikavitaation rajapintatehon se voi parantaa massansiirtoa, elektrodien aktiivisuutta, saostuman morfologiaa ja prosessin luotettavuutta. Teollisuuden toimijoille tämä tarkoittaa tehokkaampaa reittiä liuotetuista metalli-ioneista talteenotettavaan metallituotteeseen.
Lyhyesti sanottuna sono-elektrolyyttinen uuttaminen muuttaa katodin pinnan dynaamisemmaksi reaktiovyöhykkeeksi. Ultraäänikäsittely pitää sähkökemiallisen rajapinnan aktiivisena; sähkökemia muuntaa liuenneet ionit metalliksi; ja yhdessä ne muodostavat tehokkaan alustan nykyaikaiselle hydrometallurgiselle uuttamiselle.

Suorituskykyiset sono-elektro-anturit ja sono-elektro-reaktorit

Hielscher Ultrasonics on pitkäaikainen kokenut kumppanisi korkean suorituskyvyn ultraäänijärjestelmille. Valmistamme ja jakelemme huippuluokan ultraääniantureita ja reaktoreita, joita käytetään maailmanlaajuisesti raskaisiin sovelluksiin vaativissa ympäristöissä. Sonoelectrokemiaa varten Hielscher on kehittänyt erityisiä ultraäänikoettimia, jotka voivat toimia katodina ja / tai anodina, sekä ultraäänireaktorisoluja, jotka soveltuvat sähkökemiallisiin reaktioihin. Ultraäänielektrodeja ja -kennoja on saatavana galvaanisiin / sähköisiin sekä elektrolyyttisiin järjestelmiin.
 

Ota yhteyttä nyt ja kerro meille sähkökemiallisista prosessivaatimuksistasi! Suosittelemme sinulle sopivimpia ultraäänielektrodeja ja reaktorin asetuksia!
 

Kirjallisuus / Viitteet

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Jalometallien hinnan alentaminen: Sonoelektrokemiallinen – hydrodynaaminen kavitaatiomenetelmä platinaryhmän metallien kierrättämiseksi käytetyistä autokatalyytteistä. Ultrasonics Sonochemistry, nro 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): Sono-Hydro-Gen-prosessi (ultraäänellä indusoitu vedyn tuotanto): Haasteet ja mahdollisuudet. International Journal of Hydrogen Energy, 44. vuosikerta, numero 29, 2019, 14500–14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): Syklisen voltammetrian tutkimus Cu-Zn-seoskalvojen elektrolyyttisestä pinnoituksesta: ultraäänikäsittelyajan vaikutusActa Physica Polonica, vol. 132, 2017. 1087–1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): Johdanto sonoelektrokemiaan Teoksessa: Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution, 1. painos. Toim. Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, Oy
• Haas, I.: Ajatuksia A. (2008): Metallisen magnesiumin nanopartikkelien synteesi sonoelektrokemian avulla. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795–1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri, R. (2014): Polypyrrolikalvojen sonoelektrokemiallinen ja elektrokemiallinen synteesi St-12-teräksellä sekä niiden korroosio- ja morfologiset tutkimukset. Advances in Polymer Technology, vol. 33, nro 3; 2014.
• Sonoelektrokemiallinen synteesi parantaa kemianteollisuuden tehokkuutta