Sono-Electrowinning untuk Ekstraksi Logam Industri

Seiring terus meningkatnya permintaan global akan tembaga, nikel, kobalt, seng, perak, emas, logam langka, dan material yang relevan untuk baterai, produsen logam menghadapi tekanan untuk memperoleh lebih banyak nilai dari bijih, konsentrat, tailing, aliran material daur ulang, dan bahan baku berkadar rendah. Dalam hidrometalurgi, salah satu metode pemulihan logam yang paling mapan adalah electrowinning, yang juga dikenal sebagai elektroekstraksi: ion logam terlarut dipulihkan dari larutan pelindian dengan mengalirkan arus listrik, yang mereduksi ion dan mengendapkan logam pada katode.

Sono-Electrowinning untuk Meningkatkan Pemulihan Logam secara Hidrometalurgi

Sono-electrowinning mengembangkan prinsip ini dengan menggabungkan electrowinning dan ultrasonik berintensitas tinggi. Hasilnya adalah proses sonoelektrokimia yang melibatkan kerja bersama kavitasi akustik, aliran mikro, dan reduksi elektrokimia. Alih-alih hanya mengandalkan potensial listrik dan sirkulasi elektrolit konvensional, sono-electrowinning menghasilkan pencampuran lokal yang intens secara langsung pada atau di dekat antarmuka elektrode, tempat pengendapan logam berlangsung. Ultrasonik banyak dilaporkan meningkatkan transportasi massa, mengganggu lapisan difusi, membersihkan permukaan elektrode, menghilangkan gelembung gas, dan mendukung laju proses elektrokimia yang lebih tinggi.

Probe sonoelektro: 2 transduser ultrasonik mengagitasi anode dan katode, masing-masing. Sonoelektrode atau probe sonoelektro berfungsi secara bersamaan sebagai elektrode dan probe ultrasonik untuk meningkatkan electrowinning.

Dari Bijih ke Katode: Cara Kerja Sonoelektrodeposisi

Electrowinning industri biasanya dimulai dengan pelindian. Pada tahap hulu ini, logam target dilarutkan dari bijih, konsentrat, residu proses, terak, massa hitam, limbah elektronik, atau bahan baku metalurgi lainnya ke dalam larutan berair. Bergantung pada kimia logam dan bijih, bahan pelindi dapat bersifat asam, basa, berbasis klorida, berbasis sulfat, berbasis sianida, mengandung amonia, berbasis asam organik, atau disesuaikan secara kimia dengan cara lain untuk melarutkan fase logam berharga.
Setelah pelindian, larutan hasil pelindian yang kaya logam biasanya dijernihkan, dimurnikan, dan disesuaikan pH, konduktivitas, suhu, konsentrasi logam, serta profil pengotornya. Dalam sel electrowinning, elektrolit yang mengandung logam ini mengalir di antara anode dan katode. Ketika arus terkendali dialirkan, ion logam terlarut bermigrasi dan direduksi pada permukaan katode, tempat ion tersebut membentuk endapan logam padat. Dalam sono-electrowinning, ultrasonik diterapkan ke dalam lingkungan elektrokimia ini agar energi akustik mengintensifkan transportasi ion dan pembaruan lapisan batas elektrode.

Secara sederhana, urutan prosesnya adalah sebagai berikut:

• Pelindian: Logam berharga dilarutkan dari bijih atau bahan baku sekunder ke dalam larutan.
• Pengondisian larutan: Cairan pelindian dimurnikan atau disesuaikan untuk meningkatkan selektivitas dan perilaku pengendapan.
• Pengendapan sonoelektrokimia: Ultrasonik dan arus listrik bekerja secara bersamaan dalam sel electrowinning.
• Pemulihan logam dari katode: Endapan logam diambil dalam bentuk lembaran, serbuk, spons, foil, atau bentuk endapan lainnya, bergantung pada desain proses.
• Resirkulasi elektrolit: Elektrolit yang telah berkurang kandungan logamnya dapat diregenerasi, didaur ulang, atau dikembalikan ke rangkaian hidrometalurgi.

Mengapa Sonikasi Meningkatkan Electrowinning

Hambatan utama dalam banyak sistem electrowinning bukan hanya reaksi listrik itu sendiri. Hambatan tersebut meliputi pasokan ion logam baru ke permukaan katode, pembuangan produk reaksi dan gelembung gas, serta pemeliharaan antarmuka elektrode yang aktif, bersih, dan homogen. Ultrasonik secara langsung mengatasi keterbatasan ini.
Ketika ultrasonik berdaya tinggi memasuki elektrolit, ultrasonik menghasilkan kavitasi akustik: gelembung mikroskopis terbentuk, berosilasi, dan kolaps. Kolaps ini menghasilkan semburan mikro, gelombang kejut, dan geser lokal yang intens. Dalam pemrosesan fase cair, hal ini dapat menghasilkan pencampuran lokal, pencampuran mikro, dispersi, deaglomerasi, dan percepatan transportasi antarmuka.
Teknologi ultrasonik dan sonoelektro Hielscher berfokus pada kavitasi akustik terkendali untuk pemrosesan cairan, dengan gelombang ultrasonik menghasilkan medan kavitasi yang menimbulkan geser, gelombang kejut, semburan mikro, dan transfer energi yang dapat direproduksi ke dalam fluida, suspensi, serta slurry.
Dalam electrowinning, efek ini sangat bernilai karena reaksi elektrokimia berlangsung pada permukaan. Ultrasonik dapat mengurangi gradien konsentrasi di dekat elektrode, memampatkan atau mengganggu lapisan difusi, dan terus-menerus membawa ion logam baru ke katode. Penelitian terbaru mengenai transportasi massa elektrokimia yang ditingkatkan dengan ultrasonik menjelaskan peningkatan arus melalui pemampatan lapisan difusi yang didorong oleh aliran akustik, sementara penelitian mengenai elektrodeposisi berbantuan ultrasonik melaporkan peningkatan transportasi ion melalui kavitasi, aliran mikro, dan efek tekanan akustik.

Sinergi: Sonikasi Ditambah Elektrokimia

Keunggulan sono-electrowinning bukan sekadar bahwa ultrasonik “mengaduk” larutan. Hielscher Sono-Electro-Probes menggabungkan probe ultrasonik dan elektrode yang secara bersamaan memasukkan ultrasonik berintensitas tinggi dan arus listrik ke dalam sistem elektrokimia. Kuncinya adalah kopling sinergis antara dua medan energi: energi listrik mendorong reaksi reduksi ion logam, sedangkan energi akustik meningkatkan kondisi fisik dan antarmuka tempat reaksi tersebut berlangsung.
Sinergi ini dapat menghasilkan beberapa manfaat yang relevan bagi industri:

• Transfer massa yang lebih tinggi: Sonikasi meningkatkan pasokan ion logam terlarut ke permukaan katode, sehingga mengurangi penurunan konsentrasi lokal.
• Permukaan elektrode yang lebih bersih: Kavitasi dan aliran akustik membantu menghilangkan lapisan pasivasi, partikel yang melekat lemah, gelembung gas, dan produk reaksi.
• Potensi peningkatan efisiensi arus: Antarmuka elektrode yang lebih aktif dapat mengurangi kerugian akibat polarisasi konsentrasi dan penyumbatan permukaan, meskipun efisiensi akhir bergantung pada kimia elektrolit dan parameter operasi.
• Pengendapan yang lebih seragam: Elektrodeposisi berbantuan ultrasonik telah dikaitkan dengan endapan yang lebih halus, lebih padat, lebih seragam, dan struktur butir yang lebih halus.
• Kinetika elektrodeposisi yang lebih cepat: Peningkatan transfer massa dan aktivasi permukaan dapat memungkinkan laju pengendapan yang lebih tinggi dalam kondisi yang dioptimalkan.
• Keterbatasan difusi yang berkurang: Dengan mengganggu lapisan batas pada elektrode, ultrasonik dapat mendukung pengendapan yang lebih konsisten bahkan ketika konsentrasi logam relatif rendah.
• Penanganan elektrolit kompleks yang lebih baik: Agitasi ultrasonik dapat mendukung pemrosesan suspensi, partikel halus, dan cairan pelindian yang sulit diproses dengan meningkatkan dispersi dan mengurangi stagnasi lokal.

Hal ini menjadikan sono-electrowinning sangat menarik bagi rangkaian hidrometalurgi yang electrowinning konvensionalnya dibatasi oleh kinetika yang lambat, morfologi endapan yang buruk, polarisasi konsentrasi, pengotoran elektrode, penutupan permukaan oleh gelembung gas, atau konsentrasi ion logam yang rendah.

Laju pelarutan elektrode Pt secara konvensional dibandingkan dengan secara sonoelektrokimia.
Studi dan grafik: ©Vasile et al., 2021

Manfaat Industri untuk Ekstraksi Logam

Untuk ekstraksi logam industri, nilai sono-electrowinning terletak pada intensifikasi proses. Lebih banyak logam berpotensi dipulihkan dalam waktu yang lebih singkat, dengan morfologi endapan yang lebih baik dan operasi sel yang lebih stabil, asalkan daya sonikasi, geometri elektrode, komposisi elektrolit, dan rapat arus disesuaikan dengan tepat.

Secara praktis, sono-electrowinning mendukung:

• Pemulihan dari cairan pelindian berkadar rendah: Transfer massa yang lebih baik dapat membantu mempertahankan pengendapan ketika konsentrasi logam terlarut tidak ideal.
• Kualitas katode yang lebih baik: Endapan yang lebih halus dan lebih seragam dapat menyederhanakan pelepasan endapan dari katode, peleburan, pemurnian, atau penanganan serbuk pada tahap hilir.
• Kecenderungan pengotoran yang lebih rendah: Pembaruan permukaan secara terus-menerus dapat mengurangi dampak pasivasi dan lapisan permukaan yang tidak diinginkan.
• Desain proses yang lebih ringkas: Kinetika yang lebih cepat dapat memungkinkan penggunaan sel yang lebih kecil atau kapasitas pemrosesan yang lebih tinggi, bergantung pada kimia proses.
• Peningkatan pemulihan dari sumber daya sekunder: Massa hitam baterai, limbah elektronik, katalis, terak, dan residu industri sering menghasilkan larutan pelindian kompleks yang dapat memperoleh manfaat dari transfer massa yang diintensifkan.
• Kemampuan pengendalian proses yang lebih baik: Sistem ultrasonik modern dapat diintegrasikan ke dalam sistem batch atau inline kontinu dan disesuaikan melalui amplitudo, waktu tinggal, laju alir, suhu, serta masukan energi.

Sistem sonoelektro Hielscher bersifat unik: Sonoelektrode berfungsi secara bersamaan sebagai probe ultrasonik dan elektrode. Sistem sonoelektro dirancang untuk pemrosesan cairan yang dapat ditingkatkan skalanya, mulai dari pengujian laboratorium hingga operasi skala pilot dan produksi inline industri. Ultrasonik berdaya tinggi, kemampuan operasi kontinu 24/7, ketangguhan kelas industri, dan kebutuhan pemeliharaan yang rendah menjadikan sistem sonoelektro Hielscher ideal untuk sono-electrowinning industri.
Peningkatan skala secara linear melalui parameter terkendali seperti amplitudo, masukan energi, laju alir, suhu, dan waktu tinggal secara signifikan mempermudah peningkatan kapasitas produksi.

Sono-Electrowinning dalam Rantai Pelindian–Electrowinning

Dalam fasilitas hidrometalurgi konvensional, electrowinning sering ditempatkan setelah pelindian, pemisahan padat-cair, pemurnian, dan terkadang ekstraksi pelarut atau pertukaran ion. Sono-electrowinning dapat diintegrasikan ke dalam tahap pemulihan hilir ini untuk mengintensifkan konversi ion logam terlarut menjadi logam padat.

Alur proses yang umum dapat berupa:

1. Bijih yang telah dihancurkan, konsentrat, tailing, atau bahan baku sekunder dilindi untuk melarutkan logam target.
2. Mineral pengotor yang tidak larut, sisa padatan, dan fase yang tidak diinginkan dihilangkan atau dikurangi.
3. Larutan hasil pelindian yang kaya logam disesuaikan secara kimia untuk electrowinning selektif.
4. Elektrolit diumpankan ke dalam sel electrowinning yang dilengkapi dengan sonoelektrode dan sirkulasi.
5. Sonikasi meningkatkan transportasi ion dan pembaruan permukaan elektrode, sementara arus yang dialirkan mengendapkan logam pada katode.
6. Produk logam diambil, dan elektrolit didaur ulang atau dikirim untuk pengolahan lebih lanjut.

Kombinasi ini sangat menarik ketika industri ekstraksi logam perlu memproses sumber daya yang lebih menantang. Banyak bahan baku di masa mendatang memiliki kadar logam yang lebih rendah, lebih banyak pengotor, partikel yang lebih halus, komposisi kimia campuran, atau komposisi yang bervariasi. Sono-electrowinning menawarkan metode untuk membuat tahap pemulihan elektrokimia lebih andal dengan meningkatkan interaksi antara elektrolit dan permukaan elektrode.

Pemulihan Logam secara Sonoelektrokimia: Hasil Lebih Tinggi dengan Biaya Proses Lebih Rendah

Electrowinning telah menjadi salah satu dasar utama hidrometalurgi karena dapat memulihkan logam dari larutan berair sebagai produk padat bernilai tinggi. Sono-electrowinning meningkatkan elektroekstraksi konvensional dengan memperbaiki efisiensi pemulihan, efisiensi arus, dan konsumsi energi.
Efek sinergis ultrasonik berdaya tinggi dan electrowinning mengatasi keterbatasan fisik antarmuka elektrokimia dan mendukung pemulihan logam yang lebih intensif, terkendali, serta berpotensi lebih efisien. Untuk 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 berkapasitas pemrosesan lebih tinggi.

Sono-Electrowinning sebagai Sarana Intensifikasi Proses

Masa depan ekstraksi logam akan bergantung pada pemulihan lebih banyak logam dari sumber daya yang lebih sulit diproses. Ketersediaan bijih berkadar tinggi menurun di banyak wilayah, sementara permintaan akan tembaga, nikel, kobalt, logam yang berkaitan dengan litium, logam mulia, dan unsur langka meningkat. Pada saat yang sama, industri memperluas fokusnya dari bijih primer ke sumber daya sekunder seperti baterai bekas, skrap elektronik, katalis, residu industri, dan air proses.
Sono-electrowinning menawarkan strategi intensifikasi proses yang menarik untuk kondisi ini. Dengan menggabungkan selektivitas pemulihan logam elektrokimia dan daya kavitasi ultrasonik pada antarmuka, teknologi ini dapat meningkatkan transfer massa, aktivitas elektrode, morfologi endapan, dan keandalan proses. Bagi operator industri, hal ini berarti metode yang lebih andal untuk mengubah ion logam hasil pelindian menjadi produk logam yang dapat dipulihkan.
Singkatnya, sono-electrowinning mengubah permukaan katode menjadi zona reaksi yang lebih dinamis. Sonikasi menjaga antarmuka elektrokimia tetap aktif; elektrokimia mengubah ion terlarut menjadi logam; dan bersama-sama keduanya menciptakan platform yang kuat untuk ekstraksi hidrometalurgi modern.

Sono-Electro-Probes dan SonoElectroReactors Berkinerja Tinggi

Hielscher Ultrasonics adalah mitra Anda yang berpengalaman selama bertahun-tahun dalam sistem ultrasonik berkinerja tinggi. Kami memproduksi dan mendistribusikan probe serta reaktor ultrasonik mutakhir yang digunakan di seluruh dunia untuk aplikasi tugas berat dalam lingkungan yang menuntut. Untuk sonoelektrokimia, Hielscher telah mengembangkan probe ultrasonik khusus yang dapat berfungsi sebagai katode dan/atau anode, serta sel reaktor ultrasonik yang sesuai untuk reaksi elektrokimia. Elektrode dan sel ultrasonik tersedia untuk sistem galvanik / voltaik maupun elektrolitik.
 

Hubungi kami sekarang dan sampaikan kebutuhan proses elektrokimia Anda! Kami akan merekomendasikan elektrode ultrasonik dan konfigurasi reaktor yang paling sesuai untuk Anda!
 

Literatur / Referensi

• 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