הפקה אלקטרוליטית בסיוע אולטרסאונד להפקת מתכות תעשייתית

ככל שהביקוש העולמי לנחושת, ניקל, קובלט, אבץ, כסף, זהב, מתכות נדירות וחומרים המשמשים בסוללות ממשיך לעלות, יצרני המתכות נתונים ללחץ להפיק ערך רב יותר מעפרות, תרכיזים, שיירי כרייה, זרמי מיחזור וחומרי הזנה בעלי תכולת מתכת נמוכה. בהידרומטלורגיה, אחת הדרכים המבוססות ביותר להשבת מתכות היא הפקה אלקטרוליטית, המוכרת גם כמיצוי אלקטרוכימי: יוני מתכת מומסים מושבים מתמיסת מיצוי באמצעות העברת זרם חשמלי, המחזר את היונים ומשקיע את המתכת על קתודה.

הפקה אלקטרוליטית בסיוע אולטרסאונד להשבת מתכות הידרומטלורגית משופרת

הפקה אלקטרוליטית בסיוע אולטרסאונד מקדמת עיקרון זה באמצעות שילוב של הפקה אלקטרוליטית עם אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. התוצאה היא תהליך סונואלקטרוכימי שבו קוויטציה אקוסטית, מיקרו־זרימה וחיזור אלקטרוכימי פועלים יחד. במקום להסתמך רק על פוטנציאל חשמלי ועל סחרור אלקטרוליט קונבנציונלי, הפקה אלקטרוליטית בסיוע אולטרסאונד יוצרת ערבוב מקומי עז ישירות בממשק האלקטרודה או בסמוך אליו, במקום שבו מתרחשת בפועל השקעת המתכת. דיווחים רבים מצביעים על כך שאולטרסאונד מגביר מעבר מסה, מפריע לשכבת הדיפוזיה, מנקה את פני האלקטרודות, מסיר בועות גז ותומך בקצבים גבוהים יותר של תהליכים אלקטרוכימיים.

גשושיות סונו־אלקטרוכימיות: 2 מתמרים אולטרסוניים מרעידים אנודה וקתודה, בהתאמה. האלקטרודות הסונו־אלקטרוכימיות או הגשושיות הסונו־אלקטרוכימיות פועלות בו־זמנית כאלקטרודות וכגשושיות אולטרסוניות לשיפור ההפקה האלקטרוליטית.

מעפרה לקתודה: כיצד פועלת השקעה אלקטרוכימית בסיוע אולטרסאונד

הפקה אלקטרוליטית תעשייתית מתחילה בדרך כלל במיצוי בהמסה. בשלב מקדים זה, מתכת המטרה מומסת מעפרה, מתרכיז, משאריות תהליך, מסיגים, ממסה שחורה, מפסולת אלקטרונית או מחומר הזנה מטלורגי אחר אל תוך תמיסה מימית. בהתאם לכימיה של המתכת והעפרה, חומר המיצוי עשוי להיות חומצי, בסיסי, מבוסס כלוריד, מבוסס סולפט, מבוסס ציאניד, אמוניאקלי, מבוסס חומצה אורגנית, או מותאם כימית בדרך אחרת להמסת הפאזה המתכתית בעלת הערך.
לאחר המיצוי בהמסה, תמיסת המיצוי העשירה במתכת עוברת בדרך כלל הצללה, טיהור והתאמה של ה־pH, המוליכות, הטמפרטורה, ריכוז המתכת והרכב הזיהומים. בתא ההפקה האלקטרוליטית, אלקטרוליט זה, המכיל את המתכת, זורם בין אנודה לקתודה. כאשר מועבר זרם מבוקר, יוני המתכת המומסים נודדים ועוברים חיזור על פני הקתודה, שם הם יוצרים משקע מתכתי מוצק. בהפקה אלקטרוליטית בסיוע אולטרסאונד, מוחדר אולטרסאונד לסביבה אלקטרוכימית זו כך שהאנרגיה האקוסטית מגבירה את מעבר היונים ואת התחדשות שכבת הגבול של האלקטרודה.

במילים פשוטות, רצף התהליך הוא כדלקמן:

• מיצוי בהמסה: מתכות בעלות ערך מומסות מעפרה או מחומר גלם משני אל תוך תמיסה.
• התאמת התמיסה: תמיסת המיצוי עוברת טיהור או התאמה לשיפור הסלקטיביות והתנהגות ההשקעה.
• השקעה סונואלקטרוכימית: אולטרסאונד וזרם חשמלי פועלים בו־זמנית בתא ההפקה האלקטרוליטית.
• איסוף התוצר הקתודי: משקעי המתכת נאספים כלוחות, כאבקה, כספוג, כרדיד או בצורות משקע אחרות, בהתאם לתכנון התהליך.
• סחרור חוזר של האלקטרוליט: ניתן לחדש את האלקטרוליט המדולדל, למחזר אותו או להחזירו למעגל ההידרומטלורגי.

מדוע סוניקציה משפרת הפקה אלקטרוליטית

צוואר הבקבוק העיקרי במערכות רבות להפקה אלקטרוליטית אינו רק התגובה החשמלית עצמה. הוא טמון באספקת יוני מתכת טריים לפני השטח של הקתודה, בסילוק תוצרי תגובה ובועות גז ובשמירה על ממשק אלקטרודה פעיל, נקי ואחיד. אולטרסאונד נותן מענה ישיר למגבלות אלה.
כאשר אולטרסאונד בהספק גבוה חודר לאלקטרוליט, הוא יוצר קוויטציה אקוסטית: בועות מיקרוסקופיות נוצרות, מתנודדות וקורסות. קריסות אלה יוצרות סילוני מיקרו, גלי הלם וכוחות גזירה מקומיים עזים. בעיבוד בפאזה נוזלית, הדבר יכול ליצור ערבול מקומי, ערבול ברמת המיקרו, פיזור, פירוק אגלומרטים והאצת הסעה דרך ממשקים.
הטכנולוגיה האולטרסונית והסונו־אלקטרוכימית של Hielscher מתמקדת בקוויטציה אקוסטית מבוקרת לעיבוד נוזלים, שבה גלים אולטרסוניים יוצרים שדות קוויטציה המפיקים כוחות גזירה, גלי הלם, סילוני מיקרו והעברת אנרגיה הניתנת לשחזור לתוך נוזלים, תרחיפים ותרחיפים סמיכים.
בהפקה אלקטרוליטית, השפעות אלה חשובות במיוחד משום שהתגובה האלקטרוכימית מתרחשת על פני שטח. אולטרסאונד יכול להפחית מפלי ריכוז בקרבת האלקטרודה, לדחוס או לשבש את שכבת הדיפוזיה ולהביא יוני מתכת טריים לקתודה באופן רציף. עבודה מהעת האחרונה בנושא הסעת מסה אלקטרוכימית המוגברת באמצעות אולטרסאונד מתארת הגברה של הזרם באמצעות דחיסת שכבת הדיפוזיה עקב זרימה אקוסטית, ואילו מחקר בנושא שיקוע אלקטרוכימי בסיוע אולטרסאונד מדווח על שיפור בהסעת יונים באמצעות קוויטציה, זרימה ברמת המיקרו והשפעות של לחץ אקוסטי.

הסינרגיה: סוניקציה בשילוב אלקטרוכימיה

היתרון של הפקה סונו־אלקטרוליטית אינו מסתכם בכך שאולטרסאונד "מערבל" את התמיסה. Hielscher Sono-Electro-Probes משלבות גשושיות אולטרסוניות ואלקטרודות, המחדירות בו־זמנית אולטרסאונד בעוצמה גבוהה וזרם חשמלי למערכת אלקטרוכימית. המפתח כאן הוא הצימוד הסינרגטי של שני שדות אנרגיה: אנרגיה חשמלית מניעה את תגובת החיזור של יוני המתכת, ואילו אנרגיה אקוסטית משפרת את התנאים הפיזיקליים ואת התנאים בממשק שבהם מתרחשת התגובה.
סינרגיה זו יכולה ליצור כמה יתרונות בעלי חשיבות תעשייתית:

• מעבר מסה מוגבר: סוניקציה משפרת את אספקת יוני המתכת המומסים לפני השטח של הקתודה, ובכך מפחיתה הידלדלות מקומית.
• פני שטח נקיים יותר של האלקטרודות: קוויטציה וזרימה אקוסטית מסייעות להסיר שכבות פסיבציה, חלקיקים המחוברים באופן רופף, בועות גז ותוצרי תגובה.
• פוטנציאל לשיפור נצילות הזרם: ממשק אלקטרודה פעיל יותר יכול להפחית הפסדים הקשורים לקיטוב ריכוזים ולחסימת פני השטח, אם כי הנצילות הסופית תלויה בכימיה של האלקטרוליט ובפרמטרים התפעוליים.
• שיקוע אחיד יותר: שיקוע אלקטרוכימי בסיוע אולטרסאונד נקשר למשקעים חלקים יותר, צפופים יותר ואחידים יותר, ולמבנים בעלי גרגרים עדינים יותר.
• קינטיקה מהירה יותר של שיקוע אלקטרוכימי: מעבר מסה מוגבר והפעלה של פני השטח יכולים לאפשר קצבי שיקוע גבוהים יותר בתנאים מיטביים.
• הפחתת מגבלות הדיפוזיה: באמצעות הפרעה לשכבת הגבול באלקטרודה, אולטרסאונד יכול לתמוך בשיקוע עקבי יותר גם כאשר ריכוזי המתכת נמוכים יחסית.
• טיפול משופר באלקטרוליטים מורכבים: ערבול אולטרסוני יכול לסייע בעיבוד תרחיפים, חלקיקים עדינים ותמיסות מיצוי קשות לעיבוד, באמצעות שיפור הפיזור והפחתת קיפאון מקומי בזרימה.

הדבר הופך את ההפקה הסונו־אלקטרוליטית לאטרקטיבית במיוחד עבור מערכי תהליך הידרומטלורגיים שבהם הפקה אלקטרוליטית קונבנציונלית מוגבלת בשל קינטיקה איטית, מורפולוגיה ירודה של המשקע, קיטוב ריכוזים, הצטברות משקעים על האלקטרודות, כיסוי בבועות גז או ריכוז נמוך של יוני מתכת.

קצבי המסה קונבנציונליים לעומת קצבי המסה סונו־אלקטרוכימיים של אלקטרודות Pt.
מחקר וגרפים: ©Vasile et al., 2021

יתרונות תעשייתיים להפקת מתכות

בהפקה תעשייתית של מתכות, ערכה של הפקה אלקטרוליטית בסיוע אולטרסאונד טמון בהעצמת התהליך. ניתן פוטנציאלית להשיב יותר מתכת בזמן קצר יותר, תוך שיפור מורפולוגיית המשקע ופעולה יציבה יותר של התא, בתנאי שהספק הסוניקציה, גאומטריית האלקטרודות, הרכב האלקטרוליט וצפיפות הזרם מותאמים כראוי זה לזה.

מבחינה מעשית, הפקה אלקטרוליטית בסיוע אולטרסאונד תומכת ביתרונות הבאים:

• השבה מתמיסות מיצוי בעלות תכולת מתכת נמוכה: מעבר מסה משופר יכול לסייע בשמירה על השיקוע כאשר ריכוזי המתכות המומסות אינם אידיאליים.
• שיפור איכות הקתודה: משקעים חלקים ואחידים יותר יכולים לפשט את הסרת המתכת מהקתודה, ההתכה, הזיקוק או הטיפול באבקות בהמשך התהליך.
• נטייה מופחתת להצטברות משקעים לא רצויים: התחדשות רציפה של פני השטח יכולה להפחית את השפעת הפסיבציה ושכבות בלתי רצויות על פני השטח.
• תכנון תהליך קומפקטי יותר: קינטיקה מהירה יותר עשויה לאפשר שימוש בתאים קטנים יותר או תפוקה גבוהה יותר, בהתאם לכימיה של התהליך.
• השבה משופרת ממשאבים משניים: מסה שחורה מסוללות, פסולת אלקטרונית, זרזים, סיגים ושאריות תעשייתיות מניבים לעיתים קרובות תמיסות מיצוי מורכבות שבהן להעצמת מעבר המסה יש ערך.
• יכולת בקרה משופרת על התהליך: ניתן לשלב מערכות אולטרסוניות מודרניות במערכים מנתיים או במערכי זרימה רציפה בקו התהליך, ולכוונן אותן באמצעות משרעת, זמן שהייה, ספיקת זרימה, טמפרטורה ואנרגיה מושקעת.

מערכות הסונו־אלקטרו של Hielscher הן ייחודיות: הסונו־אלקטרודה פועלת בו־זמנית כגשוש אולטרסוני וכאלקטרודה. מערכי הסונו־אלקטרו מתוכננים לעיבוד נוזלים הניתן להגדלה בקנה מידה, מבדיקות מעבדה דרך הפעלה בקנה מידה ניסיוני ועד לייצור תעשייתי בקו התהליך. אולטרסאונד בהספק גבוה, יכולת פעולה רציפה 24/7, עמידות ברמה תעשייתית ודרישות תחזוקה נמוכות הופכים את מערכות הסונו־אלקטרו של Hielscher לאידיאליות להפקה אלקטרוליטית תעשייתית בסיוע אולטרסאונד.
הגדלה ליניארית של קנה המידה באמצעות פרמטרים מבוקרים כגון משרעת, אנרגיה מושקעת, ספיקת זרימה, טמפרטורה וזמן שהייה מקלה במידה ניכרת על הגדלת כושר הייצור.

הפקה אלקטרוליטית בסיוע אולטרסאונד בשרשרת המיצוי בהמסה–ההפקה האלקטרוליטית

במפעל הידרומטלורגי קונבנציונלי, שלב ההפקה האלקטרוליטית ממוקם לעיתים קרובות לאחר מיצוי בהמסה, הפרדת מוצק–נוזל, טיהור ולעיתים גם מיצוי בממס או חילוף יונים. ניתן לשלב הפקה אלקטרוליטית בסיוע אולטרסאונד בשלב השבה זה שבהמשך התהליך כדי להעצים את ההמרה של יוני מתכת מומסים למתכת מוצקה.

מסלול תהליך טיפוסי עשוי להיראות כך:

1. עפרה מרוסקת, תרכיז, שיירי כרייה או חומר גלם משני עוברים מיצוי בהמסה כדי להמיס את מתכת היעד.
2. מינרלי טפל בלתי מסיסים, שאריות מוצקות ופאזות בלתי רצויות מסולקים או שכמותם מופחתת.
3. תמיסת המיצוי העשירה במתכת מותאמת מבחינה כימית להפקה אלקטרוליטית בררנית.
4. האלקטרוליט מוזן לתא הפקה אלקטרוליטית המצויד בסונו־אלקטרודות ובמערכת סחרור.
5. סוניקציה משפרת את הובלת היונים ואת התחדשות פני האלקטרודה, בעוד הזרם המופעל משקע את המתכת על הקתודה.
6. תוצר המתכת נאסף, והאלקטרוליט ממוחזר או נשלח לטיפול נוסף.

שילוב זה מעורר עניין במיוחד כאשר תעשיית הפקת המתכות צריכה לעבד משאבים מאתגרים יותר. חומרי הזנה עתידיים רבים מכילים תכולות מתכת נמוכות יותר, יותר זיהומים, חלקיקים דקים יותר, הרכבים כימיים מעורבים או הרכב משתנה. הפקה אלקטרוליטית בסיוע אולטרסאונד מציעה דרך להפוך את שלב ההשבה האלקטרוכימית לעמיד יותר בפני שינויים באמצעות שיפור האינטראקציה בין האלקטרוליט לפני האלקטרודה.

השבת מתכות בסיוע סונואלקטרוכימיה: נצולות גבוהות יותר בעלויות תהליך נמוכות יותר

הפקת מתכות אלקטרוליטית היא כבר אבן יסוד בהידרומטלורגיה, משום שהיא מאפשרת להשיב מתכות מתמיסות מימיות כתוצרים מוצקים בעלי ערך גבוה. הפקת מתכות אלקטרוליטית בסיוע אולטרסאונד משפרת את המיצוי האלקטרוליטי המקובל באמצעות שיפור יעילות ההשבה, נצילות הזרם וצריכת האנרגיה.
ההשפעות הסינרגטיות של אולטרסאונד רב־עוצמה ושל הפקת מתכות אלקטרוליטית נותנות מענה למגבלות הפיזיקליות של הממשק האלקטרוכימי ותומכות בהשבת מתכות אינטנסיבית יותר, מבוקרת יותר ובעלת פוטנציאל ליעילות גבוהה יותר. בפעילויות כרייה, מיחזור ומטלורגיה, הטכנולוגיה מסייעת לגשר על הפער בין חומרי הזנה מורכבים יותר ויותר לבין הצורך במסלולי הפקה נקיים יותר, בררניים יותר ובעלי תפוקה גבוהה יותר.

הפקת מתכות אלקטרוליטית בסיוע אולטרסאונד ככלי להעצמת תהליכים

עתיד הפקת המתכות יהיה תלוי בהשבת כמויות גדולות יותר של מתכת ממשאבים קשים יותר לעיבוד. עפרות עשירות במתכות הולכות ומתמעטות באזורים רבים, בעוד שהביקוש לנחושת, לניקל, לקובלט, למתכות הקשורות לליתיום, למתכות יקרות וליסודות נדירים הולך וגדל. במקביל, התעשייה מרחיבה את המיקוד שלה מעפרות ראשוניות למשאבים משניים כגון סוללות משומשות, גרוטאות אלקטרוניות, זרזים, שאריות תעשייתיות ומי תהליך.
הפקת מתכות אלקטרוליטית בסיוע אולטרסאונד מציעה אסטרטגיה מבטיחה להעצמת תהליכים לנוכח מציאות זו. באמצעות שילוב הבררנות של השבת מתכות אלקטרוכימית עם עוצמת הפעולה של קוויטציה אולטרסונית בממשק, היא יכולה לשפר את מעבר המסה, את פעילות האלקטרודות, את מורפולוגיית המשקע ואת עמידות התהליך. עבור מפעילים תעשייתיים, משמעות הדבר היא מסלול איתן יותר מיוני מתכת שהומסו בליצ'ינג לתוצר מתכתי הניתן להשבה.
בקצרה, הפקת מתכות אלקטרוליטית בסיוע אולטרסאונד הופכת את פני הקתודה לאזור תגובה דינמי יותר. הסוניקציה שומרת על פעילות הממשק האלקטרוכימי; האלקטרוכימיה ממירה יונים מומסים למתכת; ויחד הן יוצרות פלטפורמה רבת־עוצמה להפקה הידרומטלורגית מודרנית.

Sono-Electro-Probes ו־SonoElectroReactors בעלי ביצועים גבוהים

Hielscher Ultrasonics היא השותפה שלכם בעלת הניסיון רב־השנים למערכות אולטרסוניות בעלות ביצועים גבוהים. אנו מייצרים ומשווקים גששים וכורים אולטרסוניים מהמתקדמים ביותר, המשמשים ברחבי העולם ליישומים בעומס עבודה כבד בסביבות תובעניות. עבור סונואלקטרוכימיה, Hielscher פיתחה גששים אולטרסוניים מיוחדים שיכולים לשמש כקתודה ו/או כאנודה, וכן תאי כור אולטרסוניים המתאימים לתגובות אלקטרוכימיות. אלקטרודות ותאים אולטרסוניים זמינים הן למערכות גלווניות / וולטאיות והן למערכות אלקטרוליטיות.
 

צרו איתנו קשר עכשיו וספרו לנו על הדרישות של התהליך האלקטרוכימי שלכם! נמליץ לכם על האלקטרודות האולטרסוניות ועל תצורת הכור המתאימות ביותר!
 

ספרות / מקורות

• 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