औद्योगिक धातु निष्कर्षण के लिए सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग

जैसे-जैसे ताँबे, निकल, कोबाल्ट, जस्ते, चाँदी, सोने, दुर्लभ धातुओं और बैटरी से संबंधित सामग्रियों की वैश्विक माँग लगातार बढ़ रही है, धातु उत्पादकों पर अयस्कों, सांद्रों, टेलिंग्स, पुनर्चक्रित पदार्थ धाराओं और निम्न-श्रेणी के फीडस्टॉक से अधिक मूल्य प्राप्त करने का दबाव है। जलधातुकर्म में धातु पुनर्प्राप्ति के सर्वाधिक स्थापित मार्गों में से एक इलेक्ट्रोविनिंग है, जिसे इलेक्ट्रोएक्सट्रैक्शन भी कहा जाता है: विद्युत धारा प्रवाहित करके निक्षालन विलयन से घुले हुए धातु आयनों की पुनर्प्राप्ति की जाती है; यह धारा आयनों का अपचयन करती है और धातु को कैथोड पर निक्षेपित करती है।

बेहतर जलधातुकर्मीय धातु पुनर्प्राप्ति के लिए सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग

सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग, इलेक्ट्रोविनिंग को उच्च-तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड के साथ जोड़कर इस सिद्धांत को आगे बढ़ाती है। इसका परिणाम एक सोनो-विद्युतरासायनिक प्रक्रिया है, जिसमें ध्वनिक कैविटेशन, सूक्ष्मप्रवाह और विद्युतरासायनिक अपचयन एक साथ कार्य करते हैं। केवल विद्युत विभव और पारंपरिक इलेक्ट्रोलाइट परिसंचरण पर निर्भर रहने के बजाय, सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग सीधे इलेक्ट्रोड अंतरापृष्ठ पर या उसके निकट तीव्र स्थानीय मिश्रण उत्पन्न करती है, जहाँ धातु का निक्षेपण वास्तव में होता है। व्यापक रूप से बताया गया है कि अल्ट्रासाउंड द्रव्यमान परिवहन बढ़ाता है, विसरण परत को विक्षुब्ध करता है, इलेक्ट्रोड की सतहों को साफ करता है, गैस के बुलबुले हटाता है और उच्चतर विद्युतरासायनिक दरों को संभव बनाने में सहायक होता है।

सोनो-इलेक्ट्रो-प्रोब: 2 अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर क्रमशः एनोड और कैथोड में कंपन उत्पन्न करते हैं। बेहतर इलेक्ट्रोविनिंग के लिए सोनो-इलेक्ट्रोड या सोनो-इलेक्ट्रो-प्रोब एक साथ इलेक्ट्रोड और अल्ट्रासोनिक प्रोब के रूप में कार्य करते हैं।

अयस्क से कैथोड तक: सोनो-विद्युतनिक्षेपण कैसे काम करता है

औद्योगिक इलेक्ट्रोविनिंग आमतौर पर निक्षालन से शुरू होती है। इस पूर्ववर्ती चरण में, लक्षित धातु को अयस्क, सांद्र, प्रक्रिया अवशेष, धातुमल, ब्लैक मास, इलेक्ट्रॉनिक कचरे या अन्य धातुकर्मीय फीडस्टॉक से घोलकर जलीय विलयन में लाया जाता है। धातु और अयस्क के रासायनिक गुणों के आधार पर, निक्षालक अम्लीय, क्षारीय, क्लोराइड-आधारित, सल्फेट-आधारित, सायनाइड-आधारित, अमोनियायुक्त, कार्बनिक अम्ल-आधारित हो सकता है, या मूल्यवान धातु प्रावस्था को घोलने के लिए उसे किसी अन्य तरीके से रासायनिक रूप से अनुकूलित किया जा सकता है।
निक्षालन के बाद, धातु-समृद्ध निक्षालन विलयन को सामान्यतः निर्मल और शुद्ध किया जाता है तथा उसके pH, चालकता, तापमान, धातु सांद्रता और अशुद्धियों की संरचना को समायोजित किया जाता है। इलेक्ट्रोविनिंग सेल में, यह धातुयुक्त इलेक्ट्रोलाइट एक एनोड और एक कैथोड के बीच बहता है। जब नियंत्रित विद्युत धारा प्रवाहित की जाती है, तो घुले हुए धातु आयन स्थानांतरित होते हैं और कैथोड की सतह पर उनका अपचयन होता है, जहाँ वे एक ठोस धात्विक निक्षेप बनाते हैं। सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग में, इस विद्युतरासायनिक परिवेश में अल्ट्रासाउंड प्रविष्ट कराया जाता है, ताकि ध्वनिक ऊर्जा आयनों के परिवहन और इलेक्ट्रोड की सीमा परत के नवीकरण को तीव्र करे।

सरल शब्दों में, प्रक्रिया का क्रम इस प्रकार है:

• निक्षालन: मूल्यवान धातुओं को अयस्क या द्वितीयक कच्चे माल से घोलकर विलयन में लाया जाता है।
• विलयन का अनुकूलन: चयनात्मकता और निक्षेपण व्यवहार में सुधार करने के लिए निक्षालन द्रव को शुद्ध या समायोजित किया जाता है।
• सोनो-विद्युतरासायनिक निक्षेपण: इलेक्ट्रोविनिंग सेल में अल्ट्रासाउंड और विद्युत धारा एक साथ कार्य करते हैं।
• कैथोड से पुनर्प्राप्ति: प्रक्रिया की रूपरेखा के आधार पर, धातु निक्षेपों को चादरों, पाउडर, स्पंज, पन्नी या अन्य निक्षेप रूपों में एकत्र किया जाता है।
• इलेक्ट्रोलाइट का पुनःपरिसंचरण: जिस इलेक्ट्रोलाइट में धातु की मात्रा घट चुकी है, उसे पुनर्जीवित किया जा सकता है, पुनर्चक्रित किया जा सकता है या जलधातुकर्मीय परिपथ में वापस भेजा जा सकता है।

सोनिकेशन इलेक्ट्रोविनिंग में सुधार क्यों करता है

कई इलेक्ट्रोविनिंग प्रणालियों में मुख्य बाधा केवल विद्युत अभिक्रिया ही नहीं होती। बाधाएँ कैथोड की सतह तक नए धातु आयनों की आपूर्ति, अभिक्रिया उत्पादों और गैस के बुलबुलों को हटाना, और एक सक्रिय, स्वच्छ, समरूप इलेक्ट्रोड अंतरापृष्ठ बनाए रखना भी हैं। अल्ट्रासाउंड सीधे इन सीमाओं का समाधान करता है।
जब उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड इलेक्ट्रोलाइट में प्रवेश करता है, तो यह ध्वनिक कैविटेशन उत्पन्न करता है: सूक्ष्म बुलबुले बनते हैं, दोलन करते हैं और ध्वस्त होते हैं। इनके ध्वस्त होने से सूक्ष्म जेट, आघात तरंगें और तीव्र स्थानीय अपरूपण उत्पन्न होता है। द्रव-प्रावस्था प्रसंस्करण में इससे स्थानीय मिश्रण, सूक्ष्म-मिश्रण, परिक्षेपण, कण-समुच्चयों का विघटन और त्वरित अंतरापृष्ठीय परिवहन हो सकता है।
Hielscher की अल्ट्रासोनिक और सोनो-इलेक्ट्रो प्रौद्योगिकी द्रव प्रसंस्करण के लिए नियंत्रित ध्वनिक कैविटेशन पर केंद्रित है, जिसमें अल्ट्रासोनिक तरंगें ऐसे कैविटेशन क्षेत्र उत्पन्न करती हैं जो तरलों, निलंबनों और स्लरी में अपरूपण, आघात तरंगें, सूक्ष्म जेट और पुनरुत्पादनीय ऊर्जा स्थानांतरण उत्पन्न करते हैं।
इलेक्ट्रोविनिंग में ये प्रभाव विशेष रूप से उपयोगी हैं क्योंकि विद्युतरासायनिक अभिक्रिया एक सतह पर होती है। अल्ट्रासाउंड इलेक्ट्रोड के पास सांद्रता प्रवणताओं को कम कर सकता है, विसरण परत को संकुचित या बाधित कर सकता है और कैथोड तक लगातार नए धातु आयन पहुँचा सकता है। अल्ट्रासाउंड द्वारा संवर्धित विद्युतरासायनिक द्रव्यमान परिवहन पर हालिया कार्य में ध्वनिक प्रवाह द्वारा प्रेरित विसरण परत के संपीड़न से धारा में वृद्धि का वर्णन किया गया है, जबकि अल्ट्रासाउंड-सहायित विद्युतनिक्षेपण पर शोध में कैविटेशन, सूक्ष्म प्रवाह और ध्वनिक दाब के प्रभावों से आयन परिवहन में सुधार की सूचना दी गई है।

सहक्रिया: सोनिकेशन और विद्युतरसायन

सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग का लाभ केवल इतना नहीं है कि अल्ट्रासाउंड विलयन को “हिलाता” है। Hielscher Sono-Electro-Probes अल्ट्रासोनिक प्रोब और इलेक्ट्रोड को संयोजित करते हैं, जो किसी विद्युतरासायनिक प्रणाली में एक साथ उच्च-तीव्रता अल्ट्रासाउंड और विद्युत धारा प्रविष्ट कराते हैं। इसमें मुख्य बात दो ऊर्जा क्षेत्रों का सहक्रियात्मक युग्मन है: विद्युत ऊर्जा धातु आयनों की अपचयन अभिक्रिया को संचालित करती है, जबकि ध्वनिक ऊर्जा उन भौतिक और अंतरापृष्ठीय परिस्थितियों को बेहतर बनाती है जिनमें वह अभिक्रिया होती है।
यह सहक्रिया औद्योगिक दृष्टि से प्रासंगिक कई लाभ उत्पन्न कर सकती है:

• अधिक द्रव्यमान स्थानांतरण: सोनिकेशन कैथोड की सतह तक घुले हुए धातु आयनों की आपूर्ति में सुधार करता है, जिससे उनकी स्थानीय कमी घटती है।
• अधिक स्वच्छ इलेक्ट्रोड सतहें: कैविटेशन और ध्वनिक प्रवाह निष्क्रियकारी परतों, ढीले जुड़े कणों, गैस के बुलबुलों और अभिक्रिया उत्पादों को हटाने में मदद करते हैं।
• बेहतर धारा दक्षता की संभावना: अधिक सक्रिय इलेक्ट्रोड अंतरापृष्ठ सांद्रता ध्रुवण और सतह अवरोधन से जुड़ी हानियों को कम कर सकता है, हालाँकि अंतिम दक्षता इलेक्ट्रोलाइट के रसायन और परिचालन मापदंडों पर निर्भर करती है।
• अधिक एकसमान निक्षेपण: अल्ट्रासाउंड-सहायित विद्युतनिक्षेपण को अधिक चिकने, अधिक सघन, अधिक एकसमान निक्षेपों और अधिक महीन दानेदार संरचनाओं से संबद्ध पाया गया है।
• अधिक तीव्र विद्युतनिक्षेपण गतिकी: संवर्धित द्रव्यमान स्थानांतरण और सतह सक्रियण अनुकूलित परिस्थितियों में अधिक निक्षेपण दरें संभव बना सकते हैं।
• विसरण संबंधी सीमाओं में कमी: इलेक्ट्रोड पर सीमा परत को बाधित करके अल्ट्रासाउंड अधिक स्थिर निक्षेपण में सहायता कर सकता है, तब भी जब धातु की सांद्रताएँ अपेक्षाकृत कम हों।
• जटिल इलेक्ट्रोलाइटों का बेहतर प्रबंधन: अल्ट्रासोनिक विक्षोभ परिक्षेपण में सुधार करके और स्थानीय ठहराव को कम करके निलंबनों, महीन कणों और कठिनाई से संसाधित होने वाले निक्षालन द्रवों के प्रसंस्करण में सहायता कर सकता है।

इससे सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग उन जलधातुकर्म परिपथों के लिए विशेष रूप से आकर्षक बनती है जहाँ पारंपरिक इलेक्ट्रोविनिंग धीमी गतिकी, निक्षेप की खराब आकारिकी, सांद्रता ध्रुवण, इलेक्ट्रोड पर अवांछित जमाव, गैस के बुलबुलों से सतह ढकने या धातु आयनों की कम सांद्रता के कारण सीमित होती है।

Pt इलेक्ट्रोडों की पारंपरिक और सोनो-विद्युतरासायनिक विघटन दरों की तुलना।
अध्ययन और ग्राफ़: ©Vasile et al., 2021

धातु निष्कर्षण के लिए औद्योगिक लाभ

धातुओं के औद्योगिक निष्कर्षण में सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग का महत्व प्रक्रिया के तीव्रीकरण में निहित है। बेहतर निक्षेप आकारिकी और अधिक स्थिर सेल संचालन के साथ कम समय में अधिक धातु की पुनर्प्राप्ति संभव हो सकती है, बशर्ते सोनिकेशन शक्ति, इलेक्ट्रोड ज्यामिति, इलेक्ट्रोलाइट संरचना और धारा घनत्व का उचित तालमेल हो।

व्यावहारिक रूप से, सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग निम्नलिखित में सहायक है:

• निम्न धातु-सांद्रता वाले निक्षालन द्रवों से पुनर्प्राप्ति: जब घुलित धातु की सांद्रता आदर्श न हो, तब बेहतर द्रव्यमान स्थानांतरण निक्षेपण को बनाए रखने में मदद कर सकता है।
• बेहतर कैथोड गुणवत्ता: अधिक चिकने और अधिक एकसमान निक्षेप आगे के चरणों में कैथोड से धातु उतारने, गलाने, परिष्करण या पाउडर के प्रबंधन को सरल बना सकते हैं।
• अवांछित जमाव की कम प्रवृत्ति: सतह का निरंतर नवीकरण निष्क्रियण और अवांछित सतही परतों के प्रभाव को कम कर सकता है।
• अधिक सघन प्रक्रिया डिज़ाइन: प्रक्रिया के रसायन के आधार पर, तेज़ अभिक्रिया गतिकी से छोटे सेल या अधिक प्रसंस्करण क्षमता संभव हो सकती है।
• द्वितीयक संसाधनों से बेहतर पुनर्प्राप्ति: बैटरी ब्लैक मास, इलेक्ट्रॉनिक अपशिष्ट, उत्प्रेरक, धातुमल और औद्योगिक अवशेषों से अक्सर जटिल निक्षालन विलयन बनते हैं, जिनमें तीव्र द्रव्यमान स्थानांतरण उपयोगी होता है।
• प्रक्रिया को नियंत्रित करने की बेहतर क्षमता: आधुनिक अल्ट्रासोनिक प्रणालियों को बैच या सतत इनलाइन व्यवस्थाओं में एकीकृत किया जा सकता है और आयाम, निवास समय, प्रवाह दर, तापमान तथा ऊर्जा इनपुट के माध्यम से समायोजित किया जा सकता है।

Hielscher की सोनो-इलेक्ट्रो प्रणालियाँ अद्वितीय हैं: सोनो-इलेक्ट्रोड एक साथ अल्ट्रासोनिक प्रोब और इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करता है। सोनो-इलेक्ट्रो व्यवस्थाएँ प्रयोगशाला परीक्षण से लेकर पायलट संचालन और औद्योगिक इनलाइन उत्पादन तक, पैमाना बढ़ाने योग्य तरल प्रसंस्करण के लिए डिज़ाइन की गई हैं। उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड, 24/7 निरंतर संचालन की क्षमता, औद्योगिक स्तर की मजबूती और कम रखरखाव की आवश्यकता Hielscher की सोनो-इलेक्ट्रो प्रणालियों को औद्योगिक सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग के लिए आदर्श बनाती हैं।
आयाम, ऊर्जा इनपुट, प्रवाह दर, तापमान और निवास समय जैसे नियंत्रित मापदंडों के माध्यम से पैमाने में रैखिक वृद्धि उत्पादन क्षमताओं को बढ़ाना काफी आसान बनाती है।

निक्षालन–इलेक्ट्रोविनिंग शृंखला में सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग

एक पारंपरिक जलधातुकर्म संयंत्र में इलेक्ट्रोविनिंग का चरण अक्सर निक्षालन, ठोस-तरल पृथक्करण, शुद्धिकरण और कभी-कभी विलायक निष्कर्षण या आयन विनिमय के बाद आता है। घुलित धातु आयनों के ठोस धातु में रूपांतरण को तीव्र करने के लिए सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग को पुनर्प्राप्ति के इस बाद के चरण में एकीकृत किया जा सकता है।

एक सामान्य प्रक्रिया क्रम इस प्रकार हो सकता है:

1. लक्षित धातु को घोलने के लिए कुचले हुए अयस्क, सांद्र, टेलिंग्स या द्वितीयक कच्चे माल का निक्षालन किया जाता है।
2. अघुलनशील गैंग, अवशिष्ट ठोस पदार्थों और अवांछित प्रावस्थाओं को हटाया जाता है या उनकी मात्रा कम की जाती है।
3. चयनात्मक इलेक्ट्रोविनिंग के लिए धातु-समृद्ध निक्षालन विलयन को रासायनिक रूप से समायोजित किया जाता है।
4. इलेक्ट्रोलाइट को सोनो-इलेक्ट्रोड और परिसंचरण व्यवस्था से सुसज्जित इलेक्ट्रोविनिंग सेल में प्रविष्ट कराया जाता है।
5. सोनिकेशन आयन परिवहन और इलेक्ट्रोड की सतह के नवीकरण में सुधार करता है, जबकि प्रवाहित धारा धातु को कैथोड पर जमा करती है।
6. धातु उत्पाद एकत्र किया जाता है और इलेक्ट्रोलाइट का पुनर्चक्रण किया जाता है या उसे आगे के उपचार के लिए भेजा जाता है।

यह संयोजन विशेष रूप से वहाँ दिलचस्प है जहाँ धातु निष्कर्षण उद्योग को अधिक चुनौतीपूर्ण संसाधनों का प्रसंस्करण करना पड़ता है। भविष्य में उपयोग होने वाली कई फीडस्टॉक सामग्रियों में धातु की मात्रा कम, अशुद्धियाँ अधिक, कण अधिक महीन, रासायनिक संघटन मिश्रित या संरचना परिवर्तनशील होती है। सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड की सतह के बीच अंतःक्रिया में सुधार करके विद्युतरासायनिक पुनर्प्राप्ति चरण को अधिक सुदृढ़ बनाने का मार्ग प्रदान करती है।

सोनो-विद्युतरासायनिक धातु पुनर्प्राप्ति: कम प्रक्रिया लागत पर अधिक उपज

इलेक्ट्रोविनिंग पहले से ही जलधातुकर्म का एक आधारस्तंभ है, क्योंकि यह जलीय विलयनों से धातुओं को उच्च मूल्य वाले ठोस उत्पादों के रूप में पुनः प्राप्त कर सकता है। सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग पुनर्प्राप्ति दक्षता, धारा दक्षता और ऊर्जा खपत में सुधार करके पारंपरिक विद्युत निष्कर्षण को बेहतर बनाता है।
उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड और इलेक्ट्रोविनिंग के सहक्रियात्मक प्रभाव विद्युतरासायनिक अंतरापृष्ठ की भौतिक सीमाओं को दूर करते हैं और अधिक गहन, नियंत्रित तथा संभावित रूप से अधिक दक्ष धातु पुनर्प्राप्ति में सहायता करते हैं। खनन, पुनर्चक्रण और धातुकर्म संबंधी प्रचालनों में यह प्रौद्योगिकी लगातार अधिक जटिल होते भरण पदार्थों और अधिक स्वच्छ, अधिक चयनात्मक तथा अधिक प्रसंस्करण क्षमता वाले निष्कर्षण मार्गों की आवश्यकता के बीच की खाई को पाटने में मदद करती है।

प्रक्रिया तीव्रीकरण के साधन के रूप में सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग

धातु निष्कर्षण का भविष्य अधिक कठिन संसाधनों से अधिक धातु पुनः प्राप्त करने पर निर्भर करेगा। कई क्षेत्रों में उच्च श्रेणी के अयस्क घट रहे हैं, जबकि ताँबा, निकेल, कोबाल्ट, लिथियम से संबंधित धातुओं, बहुमूल्य धातुओं और दुर्लभ तत्वों की माँग बढ़ रही है। साथ ही, उद्योग अपना ध्यान प्राथमिक अयस्कों से आगे बढ़ाकर प्रयुक्त बैटरियों, इलेक्ट्रॉनिक कबाड़, उत्प्रेरकों, औद्योगिक अवशेषों और प्रक्रिया जल जैसे द्वितीयक संसाधनों पर भी केंद्रित कर रहा है।
इस परिदृश्य में सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग प्रक्रिया तीव्रीकरण की एक आकर्षक रणनीति प्रदान करता है। विद्युतरासायनिक धातु पुनर्प्राप्ति की चयनात्मकता को अल्ट्रासोनिक कैविटेशन की अंतरापृष्ठीय शक्ति के साथ जोड़कर यह द्रव्यमान अंतरण, इलेक्ट्रोड की सक्रियता, निक्षेप की आकारिकी और प्रक्रिया की सुदृढ़ता में सुधार कर सकता है। औद्योगिक प्रचालकों के लिए इसका अर्थ है निक्षालन से प्राप्त धातु आयनों को पुनर्प्राप्त किए जा सकने वाले धातु उत्पाद में बदलने का एक अधिक सुदृढ़ मार्ग।
संक्षेप में, सोनो-इलेक्ट्रोविनिंग कैथोड की सतह को अधिक गतिशील अभिक्रिया क्षेत्र में बदल देता है। सोनिकेशन विद्युतरासायनिक अंतरापृष्ठ को सक्रिय रखता है; विद्युतरसायन घुले हुए आयनों को धातु में बदलता है; और दोनों मिलकर आधुनिक जलधातुकर्मीय निष्कर्षण के लिए एक शक्तिशाली मंच तैयार करते हैं।

उच्च-प्रदर्शन वाले Sono-Electro-Probes और SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics उच्च-प्रदर्शन वाली अल्ट्रासोनिक प्रणालियों के लिए आपका लंबे समय से अनुभवी साझेदार है। हम अत्याधुनिक अल्ट्रासोनिक प्रोब और रिएक्टरों का निर्माण तथा वितरण करते हैं, जिनका उपयोग दुनिया भर में चुनौतीपूर्ण परिवेशों में अत्यधिक भार वाले अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है। सोनोइलेक्ट्रोकेमिस्ट्री के लिए Hielscher ने विशेष अल्ट्रासोनिक प्रोब विकसित किए हैं, जो कैथोड और/या एनोड के रूप में कार्य कर सकते हैं, साथ ही विद्युतरासायनिक अभिक्रियाओं के लिए उपयुक्त अल्ट्रासोनिक रिएक्टर सेल भी विकसित किए हैं। अल्ट्रासोनिक इलेक्ट्रोड और सेल गैल्वैनिक / वोल्टाइक तथा विद्युतअपघटनी प्रणालियों के लिए उपलब्ध हैं।
 

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साहित्य / संदर्भ

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