הפקת מתכות באמצעות סונו-אלקטרו-ווינינג לתעשייה

בעוד שהביקוש העולמי לנחושת, ניקל, קובלט, אבץ, כסף, זהב, מתכות נדירות וחומרים הקשורים לסוללות ממשיך לעלות, יצרני המתכות נמצאים תחת לחץ להפיק ערך רב יותר מעפרות, תרכיזים, פסולת כרייה, זרמי מיחזור וחומרי גלם בדרגת טוהר נמוכה. בתחום ההידרו-מטלורגיה, אחת השיטות המוכרות ביותר להפקת מתכות היא הפקה חשמלית, הידועה גם כ"אלקטרו-אקסטראקציה": יוני מתכת מומסים מופקים מתמיסת שטיפה באמצעות זרם חשמלי, אשר מחזר את היונים ומפקיד את המתכת על הקתודה.

הפקת מתכות באמצעות סונו-אלקטרו-ווינינג לשיפור התפוקה ההידרו-מטלורגית

תהליך "סונו-אלקטרו-ווינינג" (Sono-electrowinning) משכלל עיקרון זה על ידי שילוב של אלקטרו-ווינינג עם אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. התוצאה היא תהליך סונו-אלקטרוכימי שבו קוויטציה אקוסטית, זרימה מיקרוסקופית והפחתה אלקטרוכימית פועלים יחד. במקום להסתמך רק על פוטנציאל חשמלי ועל זרימת אלקטרוליט קונבנציונלית, תהליך ה-Sono-electrowinning מכניס ערבוב מקומי אינטנסיבי ישירות בממשק האלקטרודה או בקרבתו, שם מתרחשת בפועל התצהיר המתכתי. ידוע כי אולטרסאונד משפר את הובלת המסה, משבש את שכבת הדיפוזיה, מנקה את משטחי האלקטרודות, מסיר בועות גז ותומך בקצבים אלקטרוכימיים גבוהים יותר.

חיישנים אלקטרו-אולטראסוניים: שני מתמרים אולטראסוניים מפעילים את האנודה והקתודה, בהתאמה. האלקטרודות האולטראסוניות, או החיישנים האלקטרו-אולטראסוניים, משמשים בו-זמנית כאלקטרודות וכחיישנים אולטראסוניים, כדי לשפר את תהליך ההפקת החשמלית.

מהעפרה ועד הקתודה: כיצד פועלת שיטת ההשקעה האלקטרוכימית הקולית

תהליך הפקת מתכות באמצעות אלקטרוליזה תעשייתית מתחיל בדרך כלל בתהליך השרייה. בשלב זה, המתקיים בתחילת התהליך, המתכת המבוקשת מומסת מתוך עפרה, תרכיז, שאריות תהליך, סיגים, מסה שחורה, פסולת אלקטרונית או חומר גלם מטאלורגי אחר, לתוך תמיסה מימית. בהתאם להרכב הכימי של המתכת והעפרה, חומר השטיפה עשוי להיות חומצי, בסיסי, מבוסס כלוריד, מבוסס סולפט, מבוסס ציאניד, אמוניאקלי, מבוסס חומצה אורגנית, או מותאם כימית באופן אחר כדי להמיס את שלב המתכת היקרה.
לאחר תהליך השטיפה, נהוג לטהר את תמיסת השטיפה העשירה, ולבצע בה התאמות של רמת ה-pH, המוליכות, הטמפרטורה, ריכוז המתכת ופרופיל הזיהומים. בתא ההפקת האלקטרוכימית, אלקטרוליט זה המכיל מתכת זורם בין האנודה לקתודה. כאשר מוחל זרם מבוקר, יוני המתכת המומסים נודדים ועוברים תהליך חיזור על פני הקתודה, שם הם יוצרים משקע מתכתי מוצק. בתהליך של זכייה אלקטרוכימית בעזרת אולטרסאונד (sono-electrowinning), מוחדר אולטרסאונד לסביבה האלקטרוכימית הזו, כך שהאנרגיה האקוסטית מעצימה את הובלת היונים ואת חידוש שכבת הגבול של האלקטרודה.

במילים פשוטות, סדר התהליך הוא כדלקמן:

• שטיפה: מתכות יקרות מומסות מתוך עפרות או מחומרי גלם משניים לתוך תמיסה.
• התאמת התמיסה: תמיסת השטיפה עוברת טיהור או התאמה כדי לשפר את הסלקטיביות ואת אופן ההשקעה.
• תצהיר סונו-אלקטרוכימי: אולטרסאונד וזרם חשמלי פועלים במקביל בתא ההפקת החשמלית.
• השבת קתודה: משקעי המתכת מופקים בצורת יריעות, אבקה, ספוג, נייר כסף או בצורות אחרות, בהתאם לתכנון התהליך.
• מחזור אלקטרוליטים: ניתן לשקם את האלקטרוליט המדולדל, למחזר אותו או להחזירו למעגל ההידרו-מטלורגי.

מדוע טיפול באולטרסאונד משפר את תהליך ההפקת חשמלית

הצוואר הבקבוק העיקרי במערכות רבות של הפקת מתכות באמצעות אלקטרוליזה אינו רק התגובה החשמלית עצמה. מדובר באספקת יוני מתכת טריים אל פני הקתודה, בסילוק תוצרי התגובה ובועות הגז, ובשמירה על ממשק אלקטרודה פעיל, נקי והומוגני. הטכנולוגיה האולטראסונית מטפלת ישירות במגבלות אלה.
כאשר גלי קול בעלי עוצמה גבוהה חודרים לתוך האלקטרוליט, הם יוצרים קוויטציה אקוסטית: נוצרות בועות מיקרוסקופיות, המתנודות ומתמוטטות. התמוטטויות אלה מייצרות סילוני מיקרו, גלי הלם וגזירה מקומית עזה. בעיבוד בשלב נוזלי, תופעה זו עשויה לגרום לערבוב מקומי, לערבוב מיקרוסקופי, לפיזור, לפירוק אגרגטים ולהאצת ההובלה בין-משטחית.
הטכנולוגיה האולטראסונית והסונו-אלקטרונית של Hielscher מתמקדת בקוויטציה אקוסטית מבוקרת לעיבוד נוזלים, שבה גלים אולטראסוניים יוצרים שדות קוויטציה המייצרים כוחות גזירה, גלי הלם, מיקרו-סילונים והעברת אנרגיה ניתנת לשחזור לנוזלים, לתמיסות ולעיסות.
בתהליך הפקת מתכות באמצעות זרם חשמלי, לתופעות אלו יש חשיבות מיוחדת מכיוון שהתגובה האלקטרוכימית מתרחשת על פני השטח. גלי קול יכולים להפחית את שיפועי הריכוז בסמוך לאלקטרודה, לדחוס או לשבש את שכבת הדיפוזיה, ולהביא יוני מתכת טריים באופן רציף אל הקתודה. מחקרים אחרונים בנושא הובלת מסה אלקטרוכימית משופרת באמצעות אולטרסאונד מתארים שיפור בזרם באמצעות דחיסת שכבת הדיפוזיה המונעת על ידי זרימה אקוסטית, בעוד שמחקרים בנושא ציפוי אלקטרוכימי בסיוע אולטרסאונד מדווחים על שיפור בהובלת יונים באמצעות תופעות של קוויטציה, זרימה מיקרוסקופית ולחץ אקוסטי.

הסינרגיה: סוניקציה בשילוב עם אלקטרוכימיה

היתרון של תהליך "סונו-אלקטרו-ווינינג" אינו רק בכך שהאולטרסאונד “מערבב” הפתרון. חיישני ה-Sono-Electro-Probes של Hielscher משלבים חיישנים אולטראסוניים ואלקטרודות, המכניסים בו-זמנית גלי קול בעוצמה גבוהה וזרם חשמלי למערכת אלקטרוכימית. המפתח לכך הוא הצימוד הסינרגטי בין שני שדות אנרגיה: האנרגיה החשמלית מניעה את תגובת הפחתת יוני המתכת, בעוד שהאנרגיה האקוסטית משפרת את התנאים הפיזיקליים והבין-ממשקיים שבהם מתרחשת התגובה.
סינרגיה זו עשויה להניב מספר יתרונות בעלי חשיבות תעשייתית:

• העברת מסה מוגברת: השימוש באולטרסאונד משפר את אספקת יוני המתכת המומסים אל פני הקתודה, ובכך מפחית את הדלדול המקומי.
• משטחי אלקטרודות נקיים יותר: קביטציה וזרימה אקוסטית מסייעות בהסרת שכבות פסיבציה, חלקיקים שאינם מחוברים היטב, בועות גז ותוצרי תגובה.
• פוטנציאל לשיפור היעילות הזרם: ממשק אלקטרודה פעיל יותר יכול להפחית את ההפסדים הקשורים לקיטוב ריכוז ולחסימת פני השטח, אם כי היעילות הסופית תלויה בהרכב הכימי של האלקטרוליט ובפרמטרי ההפעלה.
• תצהיר אחיד יותר: ציפוי אלקטרוכימי בסיוע אולטרסאונד נקשר לשכבות חלקות יותר, צפופות יותר ואחידות יותר, וכן למבני גרגרים עדינים יותר.
• קינטיקה מהירה יותר של ציפוי אלקטרוכימי: העברת מסה משופרת והפעלת פני השטח עשויות לאפשר קצב התצהיר גבוה יותר בתנאים מיטביים.
• מגבלות דיפוזיה מופחתת: על ידי שיבוש שכבת הגבול באלקטרודה, האולטרסאונד יכול לתמוך בתהליך התצהיר באופן עקבי יותר, גם כאשר ריכוזי המתכת נמוכים יחסית.
• טיפול טוב יותר באלקטרוליטים מורכבים: ערבוב קולי יכול לסייע בעיבוד של תמיסות, חלקיקים עדינים ותמיסות שטיפה קשות, באמצעות שיפור הפיזור והפחתת הקיפאון המקומי.

עובדה זו הופכת את תהליך ההפקת האלקטרוכימית באמצעות קול (sono-electrowinning) לאטרקטיבי במיוחד עבור מעגלים הידרו-מטלורגיים, שבהם תהליך ההפקת האלקטרוכימית הקונבנציונלי מוגבל בשל קינטיקה איטית, מורפולוגיה לקויה של המשקעים, קיטוב ריכוז, הצטברות מזהמים על האלקטרודות, כיסוי בועות גז או ריכוז נמוך של יוני מתכת.

קצב המסה קונבנציונלי לעומת קצב המסה סונו-אלקטרוכימי של אלקטרודות Pt.
מחקר וגרפים: ©Vasile et al., 2021

יתרונות תעשייתיים להפקת מתכות

בתהליך הפקת מתכות תעשייתית, הערך של הפקת מתכות באמצעות קול ואלקטרו-אלכימיה טמון בהגברת יעילות התהליך. ניתן להפיק כמות גדולה יותר של מתכת בזמן קצר יותר, עם מורפולוגיה משופרת של המשקעים ותפעול יציב יותר של התא, בתנאי שיש התאמה נכונה בין עוצמת הקול, גיאומטריית האלקטרודות, הרכב האלקטרוליט וצפיפות הזרם.

מבחינה מעשית, תהליך ההפקת חשמל באמצעות קול תומך ב:

• הפקת חומרים מתמיסות שטיפה בדרגת ריכוז נמוכה: העברת מסה משופרת עשויה לסייע בשמירה על תהליך ההשקעה כאשר ריכוזי המתכת המומסת אינם אידיאליים.
• שיפור באיכות הקתודה: משקעים חלקים ואחידים יותר יכולים להקל על תהליכי ההפרדה, ההיתוך, הזיקוק או הטיפול באבקה בשלבים הבאים.
• נטייה נמוכה יותר להצטברות לכלוך: חידוש מתמשך של פני השטח יכול להפחית את השפעת הפסיבציה ואת היווצרותם של שכבות לא רצויות על פני השטח.
• תכנון תהליך קומפקטי יותר: קינטיקה מהירה יותר עשויה לאפשר שימוש בתאים קטנים יותר או תפוקה גבוהה יותר, בהתאם לתכונות הכימיות של התהליך.
• הפקת נפט משופרת ממקורות משניים: מסה שחורה של סוללות, פסולת אלקטרונית, זרזים, סיגים ושאריות תעשייתיות יוצרים לעתים קרובות תמיסות שטיפה מורכבות, שבהן יש חשיבות רבה להעברת מסה מוגברת.
• יכולת בקרה משופרת על התהליך: ניתן לשלב מערכות אולטראסוניות מודרניות במערכות ייצור אצוותיות או רציפות, ולכוונן אותן באמצעות משרעת, זמן שהייה, קצב זרימה, טמפרטורה ותשומת אנרגיה.

מערכות הסונו-אלקטרו של Hielscher הן ייחודיות: הסונו-אלקטרודה משמשת בו-זמנית כחיישן קולי וכאלקטרודה. מערכות הסונו-אלקטרו תוכננו סביב עיבוד נוזלים הניתן להרחבה, החל מבדיקות מעבדה ועד להפעלה פיילוטית וייצור תעשייתי בקו הייצור. אולטרסאונד בעל עוצמה גבוהה, יכולת פעולה רציפה 24/7, עמידות ברמה תעשייתית ותחזוקה מועטה הופכים את מערכות הסונו-אלקטרו של Hielscher לאידיאליות עבור הפקת מתכות באמצעות סונו-אלקטרו בתהליך תעשייתי.
הרחבה ליניארית באמצעות פרמטרים מבוקרים כגון משרעת, צריכת אנרגיה, קצב זרימה, טמפרטורה וזמן שהייה מאפשרת הגדלה משמעותית של יכולות הייצור.

הפקת מתכות באמצעות סונו-אלקטרו-ווינינג בשרשרת השטיפה–הפקת המתכות באמצעות אלקטרו-ווינינג

במפעל הידרו-מטלורגי קונבנציונלי, תהליך ההפקת חשמלית מתבצע לרוב לאחר שלבי השרייה, הפרדת מוצקים-נוזלים, טיהור, ולעיתים גם מיצוי בממס או חילוף יונים. ניתן לשלב את תהליך ההפקת החשמלית הקולית בשלב ההפקת הזרם-מטה הזה, כדי להגביר את המרת יוני המתכת המומסים למתכת מוצקה.

מסלול תהליך טיפוסי עשוי להיראות כך:

1. עפרה כתושה, תמצית, פסולת כרייה או חומר גלם משני עוברים תהליך שטיפה כדי להמיס את המתכת הרצויה.
2. חומר פסולת בלתי מסיס, חומרים מוצקים שיוריים ושלבים לא רצויים מוסרים או מצטמצמים.
3. תמיסת השטיפה הרוויה עוברת התאמה כימית לצורך הפקה סלקטיבית באמצעות אלקטרוליזה.
4. האלקטרוליט מוזרם לתא זיקוק חשמלי המצויד באלקטרודות קוליות ובמערכת זרימה.
5. השימוש באולטרסאונד משפר את העברת היונים ואת חידוש פני השטח של האלקטרודה, בעוד שהזרם המופעל גורם לציפוי המתכת על הקתודה.
6. מוצר המתכת נלקח, והאלקטרוליט ממוחזר או נשלח להמשך טיפול.

שילוב זה מעניין במיוחד כאשר תעשיית הפקת המתכות נדרשת לעבד משאבים מורכבים יותר. חומרי גלם רבים בעתיד מכילים ריכוזי מתכת נמוכים יותר, יותר זיהומים, חלקיקים עדינים יותר, תרכובות כימיות מעורבות או הרכב משתנה. שיטת "Sono-electrowinning" מציעה דרך להפוך את שלב ההפקת האלקטרוכימית ליציב יותר, באמצעות שיפור האינטראקציה בין האלקטרוליט למשטח האלקטרודה.

השבת מתכות באמצעות תהליך סונו-אלקטרוכימי: תשואות גבוהות יותר בעלות תהליך נמוכה יותר

הפקת מתכות באמצעות זרם חשמלי (Electrowinning) מהווה כבר כיום אבן יסוד בהידרו-מטלורגיה, שכן היא מאפשרת להפיק מתכות מתמיסות מימיות כמוצרים מוצקים בעלי ערך גבוה. הפקת מתכות באמצעות זרם חשמלי בשילוב אולטרסאונד (Sono-electrowinning) משפרת את תהליך ההפקת החשמלית הקונבנציונלי באמצעות שיפור יעילות ההפקת, יעילות הזרם וצריכת האנרגיה.
ההשפעות הסינרגטיות של אולטרסאונד עוצמתי ושל הפקת מתכות באמצעות זרם חשמלי מתמודדות עם המגבלות הפיזיקליות של הממשק האלקטרוכימי, ומאפשרות תהליך השבת מתכות אינטנסיבי יותר, מבוקר יותר, ובעל פוטנציאל ליעילות גבוהה יותר. בתחומי הכרייה, המיחזור והמתכות, הטכנולוגיה מסייעת לגשר על הפער בין חומרי גלם שהולכים ונעשים מורכבים יותר, לבין הצורך בשיטות מיצוי נקיות יותר, סלקטיביות יותר ובעלות תפוקה גבוהה יותר.

הפקת מתכות באמצעות סונו-אלקטרו-ווינינג ככלי להגברת יעילות התהליך

עתיד הפקת המתכות ייקבע על ידי היכולת להפיק כמות גדולה יותר של מתכות ממקורות קשים יותר. באזורים רבים יש ירידה בכמות עפרות בעלות תכולה גבוהה, בעוד שהביקוש לנחושת, ניקל, קובלט, מתכות הקשורות לליטיום, מתכות יקרות ואלמנטים נדירים הולך וגדל. במקביל, התעשייה מרחיבה את ההתמקדות שלה מעפרות ראשוניות למקורות משניים כגון סוללות משומשות, פסולת אלקטרונית, זרזים, שאריות תעשייתיות ומי תהליך.
הפקת מתכות באמצעות סונו-אלקטרו-ווינינג מציעה אסטרטגיה משכנעת להגברת יעילות התהליך בהקשר זה. באמצעות שילוב בין הסלקטיביות של השבת מתכות אלקטרוכימית לבין העוצמה הבין-ממשקית של קוויטציה אולטראסונית, ניתן לשפר את העברת המסה, את פעילות האלקטרודות, את המורפולוגיה של המשקעים ואת עמידות התהליך. עבור מפעילים תעשייתיים, משמעות הדבר היא מסלול יעיל יותר מהיונים המתכתיים שהופקו בתהליך השטיפה ועד למוצר המתכתי הניתן להשבה.
בקיצור, תהליך "סונו-אלקטרו-ווינינג" הופך את משטח הקתודה לאזור תגובה דינמי יותר. הטיפול הקולי שומר על פעילות הממשק האלקטרוכימי; האלקטרוכימיה ממירה יונים מומסים למתכת; ויחד הם יוצרים פלטפורמה עוצמתית להפקת מתכות בשיטות הידרו-מטלורגיות מודרניות.

חיישנים סונו-אלקטרוניים בעלי ביצועים גבוהים ומגיבים סונו-אלקטרוניים

Hielscher Ultrasonics הוא השותף המנוסה שלך במשך זמן רב עבור מערכות קוליות ביצועים גבוהים. אנו מייצרים ומפיצים גשושיות וכורים על-קוליים חדישים, המשמשים ברחבי העולם ליישומים תובעניים בסביבות תובעניות. עבור sonoelectrochemistry, Hielscher פיתחה בדיקות קוליות מיוחדות, אשר יכול לפעול כמו קתודה ו / או אנודה, כמו גם תאי כור קולי מתאים לתגובות אלקטרוכימיות. אלקטרודות ותאים אולטראסוניים זמינים עבור מערכות גלווניות / וולטאיות כמו גם אלקטרוליטיות.
 

צרו איתנו קשר עכשיו וספרו לנו על דרישות התהליך האלקטרוכימי שלכם! אנו נמליץ לכם על האלקטרודות האולטראסוניות והכור המתאימים ביותר!
 

ספרות / מקורות

• אוגניו וסילי, אדריאן צ'וקאניה, ויורל יונסקו, יואן לפדאטו, קורנליה דיאק, סרבן נ. סטמאטין (2021): הפיכת מתכות יקרות לזולות: שיטה סונו-אלקטרוכימית – קוויטציה הידרודינמית למיחזור מתכות מקבוצת הפלטינה מממירים קטליטיים משומשים לרכב. Ultrasonics Sonochemistry, כרך 72, 2021.
• שריף ס. רשוואן, איברהים דינצ'ר, עטף מוהאני, ברונו ג. פולט (2019): תהליך Sono-Hydro-Gen (ייצור מימן בהשראת אולטרסאונד): אתגרים והזדמנויות. כתב העת הבינלאומי לאנרגיה מימן, כרך 44, גיליון 29, 2019, 14500-14526.
• יורדל ק.; קארהאן א.ח. (2017): מחקר וולטמטריה מחזורית בנושא התצהיר האלקטרוכימי של סרטי סגסוגת נחושת-אבץ: השפעת משך הטיפול באולטרסאונדActa Physica Polonica, כרך 132, 2017. עמ' 1087–1090.
• מייסון, T.; סאאז ברנאל, V. (2012): מבוא לסונו-אלקטרוכימיה מתוך: "אולטרסאונד עוצמתי באלקטרוכימיה: מכלי מעבדה רב-תכליתי לפתרון הנדסי", מהדורה ראשונה. בעריכת ברונו ג. פולט. 2012, הוצאת ג'ון ווילי & Sons בע"מ
• האס, א': "מחשבות" (2008): סינתזה של חלקיקי ננו-מגנזיום מתכתיים באמצעות סונו-אלקטרוכימיה. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795-1798.
• אשאסי-סורחאבי, ה.; באגרי, ר. (2014): סינתזה סונו-אלקטרוכימית ואלקטרוכימית של סרטי פוליפירול על פלדת St-12 ומחקרים בנושא קורוזיה ומורפולוגיה שלהם. "התקדמות בטכנולוגיית הפולימרים", כרך 33, גיליון 3; 2014.
• סינתזה אלקטרו-כימית משפרת את היעילות בייצור כימיקלים