Ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés az ipari fémkitermeléshez

Mivel a réz, a nikkel, a kobalt, a cink, az ezüst, az arany, a ritka fémek és az akkumulátorok szempontjából fontos anyagok iránti globális kereslet folyamatosan nő, a fémtermelőkre egyre nagyobb nyomás nehezedik, hogy több értéket nyerjenek ki az ércekből, koncentrátumokból, dúsítási maradékokból, újrahasznosított anyagáramokból és alacsony fémtartalmú alapanyagokból. A hidrometallurgiában a fémkinyerés egyik legbeváltabb módja az elektrolitikus fémkinyerés, más néven elektroextrakció: az oldott fémionokat elektromos áram alkalmazásával nyerik ki a kioldási oldatból; az áram redukálja az ionokat, és a fémet a katódra választja le.

Ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés a hidrometallurgiai fémkinyerés javítására

Az ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés ezt az elvet fejleszti tovább az elektrolitikus fémkinyerés és a nagy intenzitású ultrahang kombinálásával. Az eredmény egy szonoelektrokémiai folyamat, amelyben az akusztikus kavitáció, a mikroáramlás és az elektrokémiai redukció együttesen hat. Az ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés nem csupán az elektromos potenciálra és a hagyományos elektrolitkeringetésre támaszkodik, hanem intenzív helyi keverést hoz létre közvetlenül az elektród határfelületén vagy annak közelében, ahol a fémleválasztás ténylegesen végbemegy. Számos beszámoló szerint az ultrahang fokozza az anyagtranszportot, megzavarja a diffúziós réteget, tisztítja az elektródfelületeket, eltávolítja a gázbuborékokat, és elősegíti az elektrokémiai folyamatok nagyobb sebességét.

Szonoelektromos szondák: 2 ultrahangos átalakító mozgatja az anódot, illetve a katódot. A szonoelektródok, illetve szonoelektromos szondák egyidejűleg működnek elektródként és ultrahangos szondaként az elektrolitikus fémkinyerés javítása érdekében.

Az érctől a katódig: hogyan működik az ultrahanggal támogatott elektrokémiai leválasztás?

Az ipari elektrolitikus fémkinyerés általában kioldással kezdődik. Ebben a megelőző lépésben a kinyerni kívánt fémet ércből, koncentrátumból, technológiai maradékból, salakból, fekete masszából, elektronikai hulladékból vagy más kohászati alapanyagból vizes oldatba oldják. A fém és az érc kémiai tulajdonságaitól függően a kioldószer lehet savas, lúgos, kloridalapú, szulfátalapú, cianidalapú, ammóniás, szervessav-alapú, vagy más módon kémiailag az értékes fémfázis feloldásához igazított.
A kioldást követően a fémmel dúsított kioldási oldatot rendszerint derítik, tisztítják, majd beállítják a pH-ját, vezetőképességét, hőmérsékletét, fémkoncentrációját és szennyezőanyag-összetételét. Az elektrolitikus fémkinyerő cellában ez a fémtartalmú elektrolit egy anód és egy katód között áramlik. Szabályozott áram alkalmazásakor az oldott fémionok vándorolnak, és a katód felületén redukálódnak, ahol szilárd fémleválást képeznek. Az ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés során ultrahangot vezetnek ebbe az elektrokémiai környezetbe, hogy az akusztikus energia fokozza az ionok transzportját és az elektród határrétegének megújulását.

Egyszerűen megfogalmazva a folyamat lépései a következők:

• Kioldás: Az értékes fémeket ércből vagy másodlagos nyersanyagból oldatba oldják.
• Az oldat kondicionálása: A kioldási oldatot tisztítják, vagy tulajdonságait beállítják a szelektivitás és a leválási viselkedés javítása érdekében.
• Szonoelektrokémiai leválasztás: Az ultrahang és az elektromos áram egyidejűleg hat az elektrolitikus fémkinyerő cellában.
• A katódon levált fém kinyerése: A levált fémet a folyamat kialakításától függően lemez, por, szivacs, fólia vagy más leválási forma alakjában gyűjtik be.
• Az elektrolit visszakeringetése: A fémtartalmában kimerült elektrolit regenerálható, újrahasznosítható vagy visszavezethető a hidrometallurgiai technológiai körbe.

Miért javítja az ultrahangos kezelés az elektrolitikus fémkinyerést?

Számos elektrolitikus fémkinyerő rendszerben a fő szűk keresztmetszetet nem csupán maga az elektromos reakció jelenti. Ide tartozik a friss fémionok katódfelületre juttatása, a reakciótermékek és gázbuborékok eltávolítása, valamint az aktív, tiszta és homogén elektród-határfelület fenntartása is. Az ultrahang közvetlenül kezeli ezeket a korlátozó tényezőket.
Amikor nagy teljesítményű ultrahang jut az elektrolitba, akusztikus kavitációt hoz létre: mikroszkopikus buborékok képződnek, rezegnek és omlanak össze. Ezek az összeomlások mikrofolyadéksugarakat, lökéshullámokat és intenzív helyi nyíróhatást hoznak létre. Folyadékfázisú feldolgozás során ez helyi keverést, mikrokeverést, diszpergálást, deagglomerálást és gyorsabb határfelületi transzportot eredményezhet.
A Hielscher ultrahangos és szonoelektromos technológiájának középpontjában a folyadékfeldolgozáshoz alkalmazott szabályozott akusztikus kavitáció áll: az ultrahanghullámok kavitációs mezőket hoznak létre, amelyek nyíróhatást, lökéshullámokat, mikrofolyadéksugarakat és reprodukálható energiaátadást eredményeznek folyadékokban, szuszpenziókban és zagyokban.
Az elektrolitikus fémkinyerésben ezek a hatások különösen értékesek, mivel az elektrokémiai reakció egy felületen megy végbe. Az ultrahang csökkentheti az elektród közelében kialakuló koncentrációgradienseket, összenyomhatja vagy megbontja a diffúziós réteget, és folyamatosan friss fémionokat juttathat a katódhoz. Az ultrahanggal fokozott elektrokémiai anyagtranszporttal foglalkozó újabb munkák az áram növekedését az akusztikus áramlás által előidézett diffúziósréteg-összenyomódással írják le, míg az ultrahanggal támogatott elektrokémiai leválasztással kapcsolatos kutatások a kavitáció, a mikroáramlás és az akusztikus nyomáshatások révén javuló iontranszportról számolnak be.

A szinergia: ultrahangos kezelés és elektrokémia

Az ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés előnye nem pusztán az, hogy az ultrahang „keveri” az oldatot. A Hielscher Sono-Electro-Probes ultrahangos szondákat és elektródokat egyesítenek, amelyek egyidejűleg juttatnak nagy intenzitású ultrahangot és elektromos áramot egy elektrokémiai rendszerbe. Ennek kulcsa két energiamező szinergikus összekapcsolása: az elektromos energia hajtja a fémionok redukciós reakcióját, míg az akusztikus energia javítja azokat a fizikai és határfelületi körülményeket, amelyek között ez a reakció végbemegy.
Ez a szinergia több, ipari szempontból jelentős előnyt eredményezhet:

• Fokozott anyagátadás: Az ultrahangos kezelés javítja az oldott fémionok katódfelületre juttatását, és csökkenti a helyi kimerülést.
• Tisztább elektródfelületek: A kavitáció és az akusztikus áramlás segít eltávolítani a passziváló rétegeket, a lazán tapadó részecskéket, a gázbuborékokat és a reakciótermékeket.
• Az áramhatásfok javításának lehetősége: Az aktívabb elektród-határfelület csökkentheti a koncentrációpolarizációval és a felület elzáródásával összefüggő veszteségeket, bár a végső hatásfok az elektrolit kémiai tulajdonságaitól és az üzemi paraméterektől függ.
• Egyenletesebb leválás: Az ultrahanggal támogatott elektrokémiai leválasztást simább, tömörebb, egyenletesebb levált rétegekkel és finomabb szemcseszerkezetekkel hozták összefüggésbe.
• Gyorsabb elektrokémiai leválasztási kinetika: A fokozott anyagátadás és a felületaktiválás optimalizált körülmények között nagyobb leválasztási sebességet tehet lehetővé.
• Csökkent diffúziós korlátok: Az elektródnál lévő határréteg megzavarásával az ultrahang egyenletesebb leválasztást segíthet elő még viszonylag alacsony fémkoncentrációk mellett is.
• Összetett elektrolitok jobb kezelése: Az ultrahangos keverés a diszpergálás javításával és a helyi pangás csökkentésével elősegítheti a szuszpenziók, finom részecskék és nehezen kezelhető kioldási oldatok feldolgozását.

Ez különösen vonzóvá teszi az ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerést olyan hidrometallurgiai technológiai körökben, ahol a hagyományos elektrolitikus fémkinyerést lassú kinetika, kedvezőtlen leválási morfológia, koncentrációpolarizáció, elektródszennyeződés, gázbuborék-borítottság vagy alacsony fémion-koncentráció korlátozza.

A Pt-elektródok hagyományos és szonoelektrokémiai oldódási sebességének összehasonlítása.
Tanulmány és grafikonok: ©Vasile et al., 2021

Ipari előnyök a fémkitermelésben

Az ipari fémkitermelésben az ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés értéke a folyamat intenzifikálásában rejlik. Rövidebb idő alatt potenciálisan több fém nyerhető ki, jobb leválási morfológia és stabilabb cellaműködés mellett, feltéve, hogy az ultrahangos kezelés teljesítménye, az elektródgeometria, az elektrolit összetétele és az áramsűrűség megfelelően össze van hangolva.

A gyakorlatban az ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés a következőket segíti elő:

• Fémkinyerés alacsony fémtartalmú kioldási oldatokból: A jobb anyagátadás segíthet fenntartani a leválasztást akkor is, ha az oldott fémek koncentrációja nem ideális.
• Jobb katódminőség: A simább és egyenletesebb levált rétegek egyszerűsíthetik a későbbi katódról történő eltávolítást, olvasztást, finomítást vagy porkezelést.
• Kisebb szennyeződési hajlam: A felület folyamatos megújulása csökkentheti a passziválódás és a nem kívánt felületi rétegek hatását.
• Kompaktabb folyamatkialakítás: A gyorsabb kinetika a folyamat kémiájától függően kisebb cellákat vagy nagyobb feldolgozási kapacitást tehet lehetővé.
• Fokozott fémkinyerés másodlagos forrásokból: Az akkumulátorokból származó fekete massza, az elektronikai hulladékok, a katalizátorok, a salakok és az ipari maradékok gyakran olyan összetett kioldási oldatokat eredményeznek, amelyekben a fokozott anyagátadás értékes.
• Jobb folyamatszabályozhatóság: A korszerű ultrahangos rendszerek szakaszos vagy folyamatos átfolyó elrendezésekbe integrálhatók, és az amplitúdó, a tartózkodási idő, a térfogatáram, a hőmérséklet és az energiabevitel révén hangolhatók.

A Hielscher szonoelektromos rendszerei egyedülállóak: a szonoelektród egyidejűleg működik ultrahangos szondaként és elektródként. A szonoelektromos elrendezések méretezhető folyadékfeldolgozásra épülnek, a laboratóriumi vizsgálatoktól a félüzemi működésen át az ipari átfolyó termelésig. A nagy teljesítményű ultrahang, a 24/7 folyamatos üzemre való alkalmasság, az ipari szintű robusztusság és az alacsony karbantartási igény ideálissá teszi a Hielscher szonoelektromos rendszereit az ipari, ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyeréshez.
A szabályozott paraméterek, például az amplitúdó, az energiabevitel, a térfogatáram, a hőmérséklet és a tartózkodási idő révén megvalósuló lineáris méretnövelés jelentősen megkönnyíti a termelési kapacitások növelését.

Ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés a kioldás–elektrolitikus fémkinyerés folyamatláncban

Egy hagyományos hidrometallurgiai üzemben az elektrolitikus fémkinyerés gyakran a kioldás, a szilárd–folyadék elválasztás, a tisztítás, valamint esetenként az oldószeres extrakció vagy az ioncsere után következik. Az ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés ebbe a későbbi kinyerési lépésbe integrálható, hogy fokozza az oldott fémionok szilárd fémmé alakítását.

Egy tipikus folyamatmenet a következőképpen nézhet ki:

1. Az aprított ércet, koncentrátumot, dúsítási maradékot vagy másodlagos nyersanyagot kioldják a kinyerni kívánt fém feloldásához.
2. Az oldhatatlan meddőt, a visszamaradó szilárd anyagokat és a nem kívánt fázisokat eltávolítják, vagy csökkentik a mennyiségüket.
3. A fémmel dúsított kioldási oldat kémiai tulajdonságait beállítják a szelektív elektrolitikus fémkinyeréshez.
4. Az elektrolitot szonoelektródokkal és keringetéssel felszerelt elektrolitikus fémkinyerő cellába vezetik.
5. Az ultrahangos kezelés javítja az iontranszportot és az elektródfelület megújulását, miközben az alkalmazott áram a fémet a katódra választja le.
6. A fémterméket begyűjtik, az elektrolitot pedig újrahasznosítják vagy további kezelésre küldik.

Ez a kombináció különösen érdekes ott, ahol a fémkitermelő iparnak nehezebben feldolgozható forrásokat kell kezelnie. Sok jövőbeli alapanyag alacsonyabb fémtartalommal, több szennyezővel, finomabb részecskékkel, vegyes kémiai jellemzőkkel vagy változó összetétellel rendelkezik. Az ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés lehetőséget kínál az elektrokémiai kinyerési lépés robusztusabbá tételére az elektrolit és az elektródfelület közötti kölcsönhatás javításával.

Szonoelektrokémiai fémkinyerés: nagyobb hozamok alacsonyabb folyamatköltségek mellett

Az elektrolitikus fémkinyerés már most is a hidrometallurgia egyik alappillére, mivel lehetővé teszi a fémek nagy értékű szilárd termékként történő kinyerését vizes oldatokból. Az ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés a kinyerési hatásfok, az áramhatásfok és az energiafogyasztás javításával tökéletesíti a hagyományos elektroextrakciót.
A nagy teljesítményű ultrahang és az elektrolitikus fémkinyerés szinergikus hatásai kezelik az elektrokémiai határfelület fizikai korlátait, és intenzívebb, szabályozottabb, valamint potenciálisan hatékonyabb fémkinyerést segítenek elő. A bányászati, újrahasznosítási és kohászati műveletekben a technológia segít áthidalni az egyre összetettebb alapanyagok és a tisztább, szelektívebb, nagyobb feldolgozási kapacitású kinyerési eljárások iránti igény közötti szakadékot.

Az ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés mint folyamatintenzifikálási eszköz

A fémkitermelés jövője attól függ, hogy sikerül-e több fémet kinyerni nehezebben feldolgozható forrásokból. Sok régióban csökkennek a magas fémtartalmú érckészletek, miközben nő a réz, a nikkel, a kobalt, a lítiumhoz kapcsolódó fémek, a nemesfémek és a ritka elemek iránti kereslet. Ezzel párhuzamosan az ipar az elsődleges ércekről olyan másodlagos forrásokra is kiterjeszti figyelmét, mint az elhasznált akkumulátorok, az elektronikai hulladékok, a katalizátorok, az ipari maradékok és a technológiai vizek.
Az ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés vonzó folyamatintenzifikálási stratégiát kínál ebben a környezetben. Az elektrokémiai fémkinyerés szelektivitását az ultrahangos kavitáció határfelületi erejével kombinálva javíthatja az anyagátadást, az elektród aktivitását, a leválási morfológiát és a folyamat robusztusságát. Az ipari üzemeltetők számára ez hatékonyabb utat jelent a kioldott fémionoktól a kinyerhető fémtermékig.
Röviden, az ultrahanggal támogatott elektrolitikus fémkinyerés dinamikusabb reakciózónává alakítja a katódfelületet. Az ultrahangos kezelés aktívan tartja az elektrokémiai határfelületet; az elektrokémia fémmé alakítja az oldott ionokat; együtt pedig hatékony platformot teremtenek a korszerű hidrometallurgiai fémkitermeléshez.

Nagy teljesítményű Sono-Electro-Probes és SonoElectroReactors

A Hielscher Ultrasonics az Ön nagy tapasztalattal rendelkező, hosszú távú partnere a nagy teljesítményű ultrahangos rendszerek terén. Korszerű ultrahangos szondákat és reaktorokat gyártunk és forgalmazunk, amelyeket világszerte alkalmaznak nagy igénybevételű feladatokra, megterhelő környezetekben. A szonoelektrokémia számára a Hielscher speciális ultrahangos szondákat fejlesztett ki, amelyek katódként és/vagy anódként működhetnek, valamint elektrokémiai reakciókra alkalmas ultrahangos reaktorcellákat. Az ultrahangos elektródok és cellák galvanikus / voltaikus, valamint elektrolitikus rendszerekhez is rendelkezésre állnak.
 

Lépjen kapcsolatba velünk most, és mondja el elektrokémiai folyamatának követelményeit! Ajánlani fogjuk Önnek a legmegfelelőbb ultrahangos elektródokat és reaktorelrendezést!
 

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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