Metode Sono-Electrowinning untuk Ekstraksi Logam Industri

Seiring dengan terus meningkatnya permintaan global terhadap tembaga, nikel, kobalt, seng, perak, emas, logam langka, dan bahan-bahan yang relevan dengan baterai, produsen logam berada di bawah tekanan untuk memaksimalkan nilai dari bijih, konsentrat, tailing, aliran daur ulang, dan bahan baku berkadar rendah. Dalam hidrometalurgi, salah satu metode pemulihan logam yang paling mapan adalah elektrowinning, yang juga dikenal sebagai elektroekstraksi: ion logam terlarut dipisahkan dari larutan pelindian dengan menerapkan arus listrik, yang mereduksi ion-ion tersebut dan mengendapkan logam pada katoda.

Metode Sono-Electrowinning untuk Meningkatkan Tingkat Pemulihan Logam Melalui Hidrometalurgi

Teknik sono-electrowinning mengembangkan prinsip ini dengan menggabungkan proses electrowinning dengan ultrasonik berintensitas tinggi. Hasilnya adalah proses sonoelektrokimia di mana kavitasi akustik, aliran mikro, dan reduksi elektrokimia bekerja secara bersamaan. Alih-alih hanya mengandalkan potensial listrik dan sirkulasi elektrolit konvensional, sono-electrowinning memperkenalkan pencampuran lokal yang intensif langsung di atau dekat antarmuka elektroda, tempat pengendapan logam sebenarnya terjadi. Ultrasonik secara luas dilaporkan dapat meningkatkan transportasi massa, mengganggu lapisan difusi, membersihkan permukaan elektroda, menghilangkan gelembung gas, dan mendukung laju elektrokimia yang lebih tinggi.

Sonde sonoelektrik: Dua transduser ultrasonik menggetarkan anoda dan katoda masing-masing. Elektroda sonoelektrik atau sonde sonoelektrik berfungsi secara bersamaan sebagai elektroda dan probe ultrasonik untuk meningkatkan proses elektrowinning.

Dari Bijih hingga Katoda: Cara Kerja Elektrodeposisi Sonik

Proses elektrowinning industri biasanya dimulai dengan pelarutan. Pada tahap hulu ini, logam yang diinginkan dilarutkan dari bijih, konsentrat, residu proses, terak, black mass, limbah elektronik, atau bahan baku metalurgi lainnya ke dalam larutan air. Tergantung pada logam dan komposisi kimia bijihnya, larutan pelarut dapat bersifat asam, basa, berbasis klorida, berbasis sulfat, berbasis sianida, berbasis amonia, berbasis asam organik, atau disesuaikan secara kimiawi dengan cara lain untuk melarutkan fase logam yang bernilai.
Setelah proses pelarutan, larutan pelarutan yang kaya logam biasanya disaring, dimurnikan, dan disesuaikan nilai pH, konduktivitas, suhu, konsentrasi logam, serta profil pengotornya. Di dalam sel elektrowinning, elektrolit yang mengandung logam ini mengalir di antara anoda dan katoda. Ketika arus yang dikendalikan dialirkan, ion logam terlarut bermigrasi dan direduksi di permukaan katoda, di mana ion-ion tersebut membentuk endapan logam padat. Dalam proses sono-elektrowinning, gelombang ultrasonik dimasukkan ke dalam lingkungan elektrokimia ini sehingga energi akustik mempercepat perpindahan ion dan pembaruan lapisan batas elektroda.

Secara sederhana, urutan prosesnya adalah sebagai berikut:

• Pelarutan: Logam berharga dilarutkan dari bijih atau bahan baku sekunder ke dalam larutan.
• Pengondisian larutan: Larutan ekstraksi dimurnikan atau disesuaikan untuk meningkatkan selektivitas dan perilaku pengendapan.
• Deposisi sono-elektrokimia: Gelombang ultrasonik dan arus listrik bekerja secara bersamaan di dalam sel elektrowinning.
• Pemulihan katoda: Endapan logam diekstraksi dalam bentuk lembaran, bubuk, spons, foil, atau bentuk endapan lainnya, tergantung pada rancangan prosesnya.
• Resirkulasi elektrolit: Elektrolit yang telah habis dapat diregenerasi, didaur ulang, atau dikembalikan ke sirkuit hidrometalurgi.

Mengapa Sonikasi Dapat Meningkatkan Proses Elektrowinning

Hambatan utama dalam banyak sistem elektrowinning bukan hanya reaksi listrik itu sendiri. Hambatan tersebut meliputi pasokan ion logam segar ke permukaan katoda, pembuangan produk reaksi dan gelembung gas, serta pemeliharaan antarmuka elektroda yang aktif, bersih, dan homogen. Ultrasonik secara langsung mengatasi keterbatasan-keterbatasan ini.
Ketika gelombang ultrasonik berdaya tinggi memasuki elektrolit, hal itu menimbulkan kavitasi akustik: gelembung-gelembung mikroskopis terbentuk, berosilasi, dan runtuh. Runtuhnya gelembung-gelembung ini menghasilkan mikrojet, gelombang kejut, dan geseran lokal yang intens. Dalam proses fase cair, hal ini dapat menghasilkan pencampuran lokal, pencampuran mikro, dispersi, deaglomerasi, dan percepatan transportasi antarmuka.
Teknologi ultrasonik dan sono-elektro Hielscher berfokus pada kavitasi akustik terkendali untuk pemrosesan cairan, di mana gelombang ultrasonik menghasilkan medan kavitasi yang menimbulkan gaya geser, gelombang kejut, mikrojet, serta transfer energi yang dapat direproduksi ke dalam cairan, suspensi, dan bubur.
Dalam proses elektrowinning, efek-efek ini sangat berharga karena reaksi elektrokimia terjadi di permukaan. Ultrasonik dapat mengurangi gradien konsentrasi di dekat elektroda, memampatkan atau mengganggu lapisan difusi, serta secara terus-menerus membawa ion logam baru ke katoda. Penelitian terbaru mengenai transportasi massa elektrokimia yang ditingkatkan dengan ultrasonik menjelaskan peningkatan arus melalui kompresi lapisan difusi yang didorong oleh aliran akustik, sementara penelitian mengenai elektrodiposisi yang dibantu ultrasonik melaporkan peningkatan transportasi ion melalui efek kavitasi, aliran mikro, dan tekanan akustik.

Sinergi: Sonikasi dan Elektrokimia

Keunggulan metode sono-electrowinning tidak hanya terletak pada ultrasonik “mengaduk” Solusinya. Hielscher Sono-Electro-Probes menggabungkan probe ultrasonik dan elektroda yang secara bersamaan memasukkan gelombang ultrasonik berintensitas tinggi dan arus listrik ke dalam sistem elektrokimia. Kuncinya terletak pada penggabungan sinergis antara dua medan energi: energi listrik menggerakkan reaksi reduksi ion logam, sementara energi akustik meningkatkan kondisi fisik dan antarmuka di mana reaksi tersebut berlangsung.
Sinergi ini dapat menghasilkan sejumlah manfaat yang relevan bagi industri:

• Perpindahan massa yang lebih tinggi: Proses sonikasi meningkatkan pasokan ion logam terlarut ke permukaan katoda, sehingga mengurangi kekurangan ion logam secara lokal.
• Permukaan elektroda yang lebih bersih: Kavitasi dan aliran akustik membantu menghilangkan lapisan pasivasi, partikel yang menempel longgar, gelembung gas, dan produk reaksi.
• Potensi peningkatan efisiensi arus: Antarmuka elektroda yang lebih aktif dapat mengurangi kerugian yang terkait dengan polarisasi konsentrasi dan penyumbatan permukaan, meskipun efisiensi akhirnya bergantung pada komposisi kimia elektrolit dan parameter operasi.
• Proses pengendapan yang lebih seragam: Elektrodeposisi dengan bantuan ultrasonik telah dikaitkan dengan endapan yang lebih halus, lebih padat, dan lebih seragam, serta struktur butiran yang lebih halus.
• Kinetika elektrodiposisi yang lebih cepat: Peningkatan transfer massa dan aktivasi permukaan dapat memungkinkan laju pengendapan yang lebih tinggi dalam kondisi yang dioptimalkan.
• Batasan difusi yang berkurang: Dengan mengganggu lapisan batas pada elektroda, gelombang ultrasonik dapat mendukung proses pengendapan yang lebih konsisten, bahkan ketika konsentrasi logamnya relatif rendah.
• Penanganan elektrolit kompleks yang lebih baik: Pengadukan ultrasonik dapat mendukung pengolahan suspensi, partikel halus, dan larutan pelindian yang sulit dengan meningkatkan dispersi dan mengurangi stagnasi lokal.

Hal ini menjadikan metode sono-electrowinning sangat menarik untuk rangkaian hidrometalurgi di mana metode electrowinning konvensional dibatasi oleh kinetika yang lambat, morfologi endapan yang buruk, polarisasi konsentrasi, penumpukan kotoran pada elektroda, penutupan oleh gelembung gas, atau konsentrasi ion logam yang rendah.

Laju pelarutan konvensional versus laju pelarutan sonoelektrokimia pada elektroda Pt.
Penelitian dan grafik: ©Vasile dkk., 2021

Manfaat Industri dalam Ekstraksi Logam

Dalam ekstraksi logam skala industri, keunggulan metode sono-electrowinning terletak pada intensifikasi proses. Potensi pemulihan logam yang lebih besar dalam waktu yang lebih singkat dapat dicapai, disertai dengan morfologi endapan yang lebih baik dan operasi sel yang lebih stabil, asalkan daya sonikasi, geometri elektroda, komposisi elektrolit, dan kepadatan arus disesuaikan dengan tepat.

Secara praktis, metode sono-electrowinning mendukung:

• Pemulihan dari larutan lindi konsentrasi rendah: Transfer massa yang lebih baik dapat membantu menjaga proses pengendapan ketika konsentrasi logam terlarut tidak ideal.
• Peningkatan kualitas katoda: Endapan yang lebih halus dan seragam dapat mempermudah proses pengupasan, peleburan, pemurnian, atau penanganan bubuk pada tahap selanjutnya.
• Kecenderungan pengendapan yang lebih rendah: Peremajaan permukaan yang berkelanjutan dapat mengurangi dampak pasivasi dan lapisan permukaan yang tidak diinginkan.
• Desain proses yang lebih ringkas: Kinetika yang lebih cepat mungkin memungkinkan penggunaan sel yang lebih kecil atau peningkatan kapasitas produksi, tergantung pada kimia prosesnya.
• Peningkatan pemulihan dari sumber daya sekunder: Massa hitam baterai, limbah elektronik, katalis, terak, dan residu industri sering kali menghasilkan larutan lindi yang kompleks, di mana peningkatan laju perpindahan massa sangat bermanfaat.
• Kontrol proses yang lebih baik: Sistem ultrasonik modern dapat diintegrasikan ke dalam konfigurasi batch atau inline berkelanjutan dan disesuaikan melalui amplitudo, waktu tinggal, laju aliran, suhu, dan masukan energi.

Sistem sono-elektro Hielscher bersifat unik: Elektroda sono berfungsi ganda sebagai probe ultrasonik dan elektroda. Konfigurasi sono-elektro ini dirancang untuk pemrosesan cairan yang dapat disesuaikan skalanya, mulai dari pengujian laboratorium hingga operasi percontohan dan produksi industri inline. Ultrasonik berdaya tinggi, kemampuan operasi berkelanjutan 24/7, ketahanan kelas industri, dan perawatan yang minim menjadikan sistem sono-elektro Hielscher ideal untuk proses sono-elektrowinning industri.
Peningkatan skala linier melalui parameter-parameter yang terkendali, seperti amplitudo, masukan energi, laju aliran, suhu, dan waktu tinggal, memfasilitasi peningkatan kapasitas produksi secara signifikan.

Proses Sono-Electrowinning dalam Rantai Proses Pelarutan–Electrowinning

Di pabrik hidrometalurgi konvensional, proses elektrowinning sering kali dilakukan setelah tahap pelarutan, pemisahan padat-cair, pemurnian, dan terkadang ekstraksi pelarut atau pertukaran ion. Proses sono-electrowinning dapat diintegrasikan ke dalam tahap pemulihan hilir ini untuk mempercepat konversi ion logam terlarut menjadi logam padat.

Alur proses yang umum mungkin terlihat seperti ini:

1. Bijih yang telah dihancurkan, konsentrat, tailing, atau bahan baku sekunder dilarutkan untuk memisahkan logam yang diinginkan.
2. Gangue yang tidak larut, padatan sisa, dan fase yang tidak diinginkan dihilangkan atau dikurangi.
3. Larutan leach yang telah diencerkan tersebut disesuaikan secara kimiawi untuk proses elektrowinning selektif.
4. Elektrolit dialirkan ke dalam sel elektrowinning yang dilengkapi dengan sono-elektroda dan sistem sirkulasi.
5. Sonikasi meningkatkan transportasi ion dan pembaruan permukaan elektroda, sementara arus yang dialirkan menyebabkan logam mengendap pada katoda.
6. Produk logam tersebut dipanen, sedangkan elektrolitnya didaur ulang atau dikirim untuk diolah lebih lanjut.

Kombinasi ini sangat menarik terutama dalam konteks di mana industri ekstraksi logam perlu mengolah sumber daya yang lebih sulit diolah. Banyak bahan baku di masa depan mengandung kadar logam yang lebih rendah, lebih banyak pengotor, partikel yang lebih halus, campuran unsur kimia, atau komposisi yang bervariasi. Metode sono-electrowinning menawarkan cara untuk membuat tahap pemulihan elektrokimia menjadi lebih andal dengan meningkatkan interaksi antara elektrolit dan permukaan elektroda.

Pemulihan Logam dengan Metode Sono-Elektrokimia: Hasil yang Lebih Tinggi dengan Biaya Proses yang Lebih Rendah

Elektrowinning telah menjadi landasan utama dalam hidrometalurgi karena mampu memisahkan logam dari larutan air menjadi produk padat bernilai tinggi. Sono-electrowinning meningkatkan proses elektroekstraksi konvensional dengan meningkatkan efisiensi pemisahan, efisiensi arus, dan mengurangi konsumsi energi.
Efek sinergis antara ultrasonik berdaya tinggi dan elektrowinning mengatasi keterbatasan fisik antarmuka elektrokimia serta mendukung proses pemulihan logam yang lebih intensif, terkendali, dan berpotensi lebih efisien. Dalam operasi pertambangan, daur ulang, dan metalurgi, teknologi ini membantu menjembatani kesenjangan antara bahan baku yang semakin kompleks dan kebutuhan akan metode ekstraksi yang lebih bersih, lebih selektif, serta memiliki kapasitas produksi yang lebih tinggi.

Sono-Electrowinning sebagai Alat Intensifikasi Proses

Masa depan ekstraksi logam akan bergantung pada kemampuan untuk memulihkan lebih banyak logam dari sumber daya yang lebih sulit. Cadangan bijih berkadar tinggi semakin menipis di banyak wilayah, sementara permintaan akan tembaga, nikel, kobalt, logam terkait litium, logam mulia, dan unsur langka terus meningkat. Di saat yang sama, industri memperluas fokusnya dari bijih primer ke sumber daya sekunder seperti baterai bekas, limbah elektronik, katalis, residu industri, dan air proses.
Teknik sono-elektrowinning menawarkan strategi intensifikasi proses yang menjanjikan untuk bidang ini. Dengan menggabungkan selektivitas pemulihan logam secara elektrokimia dengan kekuatan antarmuka kavitasi ultrasonik, teknik ini dapat meningkatkan transfer massa, aktivitas elektroda, morfologi endapan, dan ketahanan proses. Bagi para pelaku industri, hal ini berarti jalur yang lebih efektif untuk mengubah ion logam hasil pelindian menjadi produk logam yang dapat dipulihkan.
Singkatnya, metode sono-electrowinning mengubah permukaan katoda menjadi zona reaksi yang lebih dinamis. Sonikasi menjaga antarmuka elektrokimia tetap aktif; proses elektrokimia mengubah ion terlarut menjadi logam; dan bersama-sama, keduanya menciptakan platform yang sangat efektif untuk ekstraksi hidrometalurgi modern.

Sensor Sono-Elektro Berkinerja Tinggi dan Reaktor Sono-Elektro

Hielscher Ultrasonics adalah mitra berpengalaman lama Anda untuk sistem ultrasonik berkinerja tinggi. Kami memproduksi dan mendistribusikan probe dan reaktor ultrasonik canggih, yang digunakan di seluruh dunia untuk aplikasi tugas berat di lingkungan yang menuntut. Untuk sonoelectrochemistry, Hielscher telah mengembangkan probe ultrasonik khusus, yang dapat bertindak sebagai katoda dan/atau anoda, serta sel reaktor ultrasonik yang cocok untuk reaksi elektrokimia. Elektroda dan sel ultrasonik tersedia untuk sistem galvanik / voltaik serta elektrolitik.
 

Hubungi kami sekarang dan beri tahu kami tentang persyaratan proses elektrokimia Anda! Kami akan merekomendasikan Anda elektroda ultrasonik dan pengaturan reaktor yang paling cocok!
 

Literatur / Referensi

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Menjadikan logam mulia lebih terjangkau: Metode sonoelektrokimia–kavitasi hidrodinamik untuk mendaur ulang logam kelompok platinum dari katalis otomotif bekas. Ultrasonics Sonochemistry, Jilid 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): Proses Sono-Hydro-Gen (Produksi hidrogen yang diinduksi ultrasonik): Tantangan dan peluang. Jurnal Internasional Energi Hidrogen, Volume 44, Edisi 29, 2019, hlm. 14500–14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): Studi Voltametri Siklik terhadap Elektrodeposisi Lapisan Paduan Cu-Zn: Pengaruh Waktu UltrasonikasiActa Physica Polonica, Jilid 132, 2017. Hal. 1087–1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): Pengantar Sonoelektrokimia Dalam: Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution, Edisi Pertama. Disunting oleh Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, Ltd.
• Haas, I.: Pemikiran A. (2008): Sintesis nanopartikel magnesium logam melalui sonoelektrokimia. Chemical Communications 15(15), 2008. hlm. 1795–1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri, R. (2014): Sintesis Sonoelektrokimia dan Elektrokimia Lapisan Polipirrol pada Baja St-12 serta Studi Korosi dan Morfologinya. Kemajuan dalam Teknologi Polimer, Vol. 33, Edisi 3; 2014.
• Sintesis Sono-Elektrokimia Meningkatkan Efisiensi dalam Manufaktur Kimia