산업용 금속 추출을 위한 초음파-전기분해법

구리, 니켈, 코발트, 아연, 은, 금, 희귀 금속 및 배터리 관련 소재에 대한 전 세계적 수요가 지속적으로 증가함에 따라, 금속 생산 업체들은 광석, 정광, 광미, 재활용 원료 및 저품위 원료에서 더 많은 가치를 회수해야 하는 압박을 받고 있습니다. 수용액 제련 분야에서 가장 확립된 금속 회수 방법 중 하나는 전기제련(electroextraction)으로도 알려진 전기회수(electrowinning)입니다. 이 공정에서는 전류를 가하여 침출 용액에서 용해된 금속 이온을 회수하며, 전류에 의해 이온이 환원되어 음극에 금속이 침착됩니다.

수력야금학적 금속 회수율 향상을 위한 초음파 전기제련법

초음파 전기제련(Sono-electrowinning)은 전기제련과 고강도 초음파를 결합하여 이 원리를 한 단계 발전시킨 기술입니다. 그 결과, 음향 캐비테이션, 미세 유동, 전기화학적 환원이 함께 작용하는 초음파 전기화학 공정이 탄생했습니다. 소노-전기제련은 단순히 전위와 기존의 전해질 순환에만 의존하는 대신, 실제로 금속 침전이 일어나는 전극 계면이나 그 근처에서 직접 강력한 국소 혼합을 유도합니다. 초음파는 물질 이동을 촉진하고, 확산층을 교란하며, 전극 표면을 세정하고, 기포를 제거하며, 더 높은 전기화학적 반응 속도를 지원하는 것으로 널리 알려져 있습니다.

초음파 전극 프로브: 2개의 초음파 변환기가 각각 양극과 음극을 교반합니다. 이 초음파 전극 또는 초음파 전극 프로브는 전극과 초음파 프로브의 역할을 동시에 수행하여 전기 제련 효율을 향상시킵니다.

광석에서 음극재까지: 초음파 전기침전 방식의 원리

산업용 전기제련은 대개 침출 공정으로 시작됩니다. 이 전처리 단계에서 대상 금속은 광석, 정광, 공정 잔류물, 슬래그, 블랙매스, 전자 폐기물 또는 기타 야금 원료에서 용출되어 수용액으로 용해됩니다. 금속 및 광석의 화학적 성분에 따라, 침출제는 산성, 알칼리성, 염화물 기반, 황산염 기반, 시안화물 기반, 암모니아성, 유기산 기반일 수 있으며, 귀중한 금속 상을 용해하기 위해 화학적으로 맞춤 조정될 수도 있습니다.
침출 후, 금속이 함유된 침출액은 일반적으로 정제 및 정화 과정을 거쳐 pH, 전도도, 온도, 금속 농도 및 불순물 성분이 조절됩니다. 전기정련 셀 내에서 이 금속 함유 전해질은 양극과 음극 사이를 흐릅니다. 제어된 전류가 인가되면 용해된 금속 이온이 이동하여 음극 표면에서 환원되며, 이곳에서 고체 금속 침전물을 형성합니다. 초음파 전기 제련(sono-electrowinning)에서는 이 전기화학적 환경에 초음파를 도입하여, 음향 에너지가 이온의 이동을 촉진하고 전극 경계층의 갱신을 강화하도록 합니다.

간단히 말해, 공정 순서는 다음과 같습니다:

• 침출: 광석이나 2차 원료에서 귀금속이 용액으로 용출됩니다.
• 용액 조제: 선택성과 침착 특성을 개선하기 위해 침출액을 정제하거나 조정합니다.
• 초음파-전기화학 증착: 전기분해 셀에서는 초음파와 전류가 동시에 작용합니다.
• 음극 회수: 금속 침전물은 공정 설계에 따라 시트, 분말, 스폰지, 호일 또는 기타 형태의 침전물로 회수됩니다.
• 전해질 재순환: 고갈된 전해액은 재생, 재활용되거나 습식 제련 공정으로 되돌려질 수 있습니다.

초음파 처리가 전기 제련 효율을 높이는 이유

많은 전기제련 시스템에서 주요 병목 현상은 단순히 전기 반응 그 자체에만 있는 것이 아닙니다. 음극 표면에 새로운 금속 이온을 공급하고, 반응 생성물과 기포를 제거하며, 활성적이고 깨끗하며 균일한 전극 계면을 유지하는 과정에서도 발생합니다. 초음파는 이러한 한계를 직접적으로 해결합니다.
고출력 초음파가 전해질에 침투하면 음향 캐비테이션이 발생합니다. 즉, 미세한 기포가 형성되어 진동하다가 붕괴됩니다. 이러한 기포 붕괴로 인해 미세 제트, 충격파 및 국부적인 강렬한 전단 현상이 발생합니다. 액상 공정에서 이러한 현상은 국소적 혼합, 미세 혼합, 분산, 응집 해체 및 계면 수송 가속화를 유발할 수 있습니다.
Hielscher의 초음파 및 소노-일렉트로 기술은 액체 처리를 위한 제어된 음향 캐비테이션을 기반으로 하며, 이 기술에서는 초음파가 캐비테이션 장을 생성하여 유체, 현탁액 및 슬러리 내에 전단력, 충격파, 미세 분사류를 발생시키고 재현 가능한 에너지 전달을 이루어 냅니다.
전기제련 과정에서 이러한 효과는 전기화학 반응이 표면에서 일어나기 때문에 특히 중요합니다. 초음파는 전극 근처의 농도 구배를 줄이고, 확산층을 압축하거나 분산시키며, 새로운 금속 이온을 음극으로 지속적으로 공급할 수 있습니다. 초음파 강화 전기화학적 물질 이송에 관한 최근 연구에서는 음향 유동에 의해 유발된 확산층 압축을 통한 전류 증강을 설명하고 있으며, 초음파 보조 전기도금에 관한 연구에서는 캐비테이션, 미세유동 및 음향 압력 효과를 통한 이온 이송 개선을 보고하고 있다.

시너지 효과: 초음파 처리와 전기화학의 결합

초음파 전기분해법의 장점은 단순히 초음파가 “휘저어” 해결책. Hielscher Sono-Electro-Probes는 초음파 프로브와 전극을 결합하여, 전기화학 시스템에 고강도 초음파와 전류를 동시에 도입합니다. 여기서 핵심은 두 에너지장의 시너지적 결합입니다. 전기 에너지는 금속 이온 환원 반응을 촉진하는 반면, 음향 에너지는 해당 반응이 일어나는 물리적 및 계면 조건을 개선합니다.
이러한 시너지 효과는 산업적으로 여러 가지 이점을 가져올 수 있습니다:

• 더 높은 물질 전달: 초음파 처리는 음극 표면으로의 용해된 금속 이온 공급을 향상시켜 국부적인 고갈 현상을 줄여줍니다.
• 더 깨끗한 전극 표면: 캐비테이션과 음향 유동은 부동태화막, 느슨하게 부착된 입자, 기포 및 반응 생성물을 제거하는 데 도움이 됩니다.
• 전류 효율 향상 가능성: 전극 계면의 활성도가 높아지면 농도 분극 및 표면 막힘과 관련된 손실을 줄일 수 있지만, 최종 효율은 전해질의 화학적 성질과 작동 조건에 따라 달라집니다.
• 더 균일한 증착: 초음파 보조 전착 공법은 더 매끄럽고, 치밀하며, 균일한 침전물과 더 미세한 입자 구조를 형성하는 것으로 알려져 있다.
• 더 빠른 전착 동역학: 물질 전달 효율을 높이고 표면을 활성화하면, 최적화된 조건에서 더 높은 증착 속도를 얻을 수 있다.
• 확산 제한의 감소: 초음파는 전극의 경계층을 교란시킴으로써, 금속 농도가 상대적으로 낮은 경우에도 보다 균일한 증착을 도울 수 있습니다.
• 복잡한 전해질에 대한 처리 능력 향상: 초음파 교반은 분산성을 향상시키고 국부적인 정체 현상을 줄임으로써 현탁액, 미세 입자 및 처리하기 어려운 침출액의 처리를 지원할 수 있습니다.

따라서 소노-전기제련은 느린 반응 속도, 불량한 침전 형태, 농도 분극, 전극 오염, 기포 피복, 또는 낮은 금속 이온 농도로 인해 기존 전기제련의 적용이 제한되는 수력야금 공정에서 특히 매력적인 방법입니다.

Pt 전극의 기존 방식과 초전해학적 용해 속도의 비교.
연구 및 그래프: ©Vasile 외, 2021

금속 추출 분야의 산업적 이점

금속의 산업적 추출에 있어, 초음파 전기제련의 가치는 공정 집약화에 있습니다. 초음파 조사 전력, 전극 형상, 전해질 조성 및 전류 밀도가 적절히 조화를 이룬다면, 더 짧은 시간 내에 더 많은 금속을 회수할 수 있을 뿐만 아니라, 침전물의 형태가 개선되고 전지 작동이 더욱 안정화될 수 있습니다.

실질적으로 볼 때, 초음파 전기분해법은 다음을 지원합니다:

• 저농도 침출액으로부터의 회수: 용해된 금속의 농도가 이상적이지 않을 때, 더 나은 물질 전달은 침전 현상을 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 음극 품질 향상: 더 매끄럽고 균일한 침전물은 후속 공정인 박리, 용융, 정제 또는 분말 취급을 단순화할 수 있습니다.
• 오염 발생 경향이 낮음: 지속적인 표면 재생은 패시베이션 및 원치 않는 표면막이 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.
• 더 간결한 공정 설계: 반응 속도가 빨라지면 공정 화학 조건에 따라 더 작은 셀을 사용하거나 처리량을 높일 수 있습니다.
• 2차 자원으로부터의 회수율 향상: 배터리 흑색 슬러지, 전자 폐기물, 촉매, 슬래그 및 산업 잔류물은 종종 복잡한 침출 용액을 생성하며, 이러한 경우 물질 전달을 강화하는 것이 중요합니다.
• 공정 제어성 향상: 최신 초음파 시스템은 배치 방식이나 연속 인라인 설비에 통합될 수 있으며, 진폭, 체류 시간, 유량, 온도 및 에너지 투입량을 통해 조정할 수 있습니다.

Hielscher의 소노-일렉트로 시스템은 독보적입니다. 소노-전극은 초음파 프로브와 전극의 역할을 동시에 수행합니다. 소노-일렉트로 설비는 실험실 테스트부터 파일럿 운영, 산업용 인라인 생산에 이르기까지 확장 가능한 액체 처리를 중심으로 설계되었습니다. 고출력 초음파, 연중무휴 24시간 연속 가동 능력, 산업용 등급의 견고성 및 낮은 유지보수 비용 덕분에 Hielscher 소노-일렉트로 시스템은 산업용 소노-일렉트로 채광에 이상적입니다.
진폭, 에너지 입력, 유량, 온도, 체류 시간 등 제어 가능한 매개변수를 통한 선형적 규모 확대는 생산 능력의 상당한 증대를 가능하게 합니다.

침출-전기제련 공정에서 소노-전기제련

일반적인 수력야금 공정에서는 전기제련이 종종 침출, 고액 분리, 정제, 그리고 때로는 용매 추출이나 이온 교환 단계 이후에 이루어집니다. 초음파 전기제련은 이러한 하류 회수 단계에 통합되어 용해된 금속 이온을 고체 금속으로 전환하는 과정을 강화할 수 있습니다.

일반적인 공정 흐름은 다음과 같을 수 있습니다:

1. 분쇄된 광석, 정광, 광미 또는 2차 원료를 침출시켜 대상 금속을 용해시킵니다.
2. 불용성 갱석, 잔류 고형물 및 원치 않는 상이 제거되거나 감소됩니다.
3. 임신된 리치 용액은 선택적 전기정제를 위해 화학적으로 조정됩니다.
4. 전해액은 초음파 전극과 순환 장치가 장착된 전기정제 셀로 공급됩니다.
5. 초음파 처리는 이온 수송을 개선하고 전극 표면을 재생시키는 한편, 인가된 전류는 금속을 음극에 증착시킵니다.
6. 금속 제품은 회수되고, 전해액은 재활용되거나 추가 처리 과정으로 보내집니다.

이 조합은 특히 금속 추출 산업에서 처리하기 더 까다로운 자원을 다뤄야 할 때 주목할 만합니다. 향후 많은 원료는 금속 함량이 낮거나, 불순물이 더 많거나, 입자가 더 미세하거나, 다양한 화학적 성분을 포함하거나, 성분이 불규칙할 것으로 예상됩니다. 초음파 전기제련은 전해질과 전극 표면 간의 상호작용을 개선함으로써 전기화학적 회수 공정을 더욱 견고하게 만들 수 있는 방법을 제시합니다.

초음파-전기화학적 금속 회수: 더 낮은 공정 비용으로 더 높은 수율 달성

전기제련은 수용액에서 금속을 고부가가치 고체 제품으로 회수할 수 있기 때문에 이미 수력야금학의 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다. 초음파 전기제련은 회수 효율, 전류 효율 및 에너지 소비량을 개선함으로써 기존의 전기추출 기술을 한 단계 발전시킵니다.
고출력 초음파와 전기제련의 시너지 효과는 전기화학적 계면의 물리적 한계를 극복하고, 보다 집중적이고 정밀하게 제어되며 잠재적으로 더 효율적인 금속 회수를 가능하게 합니다. 광업, 재활용 및 야금 공정에서 이 기술은 점점 더 복잡해지는 원료와, 더 깨끗하고 선택성이 높으며 처리량이 많은 추출 공정에 대한 요구 사이의 격차를 해소하는 데 기여합니다.

공정 집약화 수단으로서의 초음파 전기분해

금속 채굴의 미래는 채굴이 더 어려운 광물 자원에서 더 많은 금속을 회수하는 데 달려 있을 것입니다. 많은 지역에서 고품위 광석의 매장량이 감소하고 있는 반면, 구리, 니켈, 코발트, 리튬 관련 금속, 귀금속 및 희귀 원소에 대한 수요는 증가하고 있습니다. 동시에 업계는 1차 광석에서 사용 후 배터리, 전자 폐기물, 촉매, 산업 잔류물, 공정 용수 등 2차 자원으로 관심을 확대하고 있습니다.
초음파 전기제련은 이러한 환경에서 매우 유망한 공정 강화 전략을 제시합니다. 전기화학적 금속 회수의 선택성과 초음파 캐비테이션의 계면 작용력을 결합함으로써, 물질 전달, 전극 활성, 침전물 형태 및 공정 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 산업 현장 운영자에게 이는 침출된 금속 이온을 회수 가능한 금속 제품으로 전환하는 더 확실한 경로를 의미합니다.
요컨대, 초음파 전기제련은 음극 표면을 더욱 역동적인 반응 영역으로 변화시킵니다. 초음파 처리는 전기화학적 계면을 활성 상태로 유지하며, 전기화학 반응은 용해된 이온을 금속으로 변환하고, 이 두 가지가 결합되어 현대적인 습식 제련 추출을 위한 강력한 플랫폼을 형성합니다.

고성능 초음파-전기 프로브 및 초음파-전기 반응기

Hielscher 초음파는 고성능 초음파 시스템을위한 오랜 경험이 풍부한 파트너입니다. 우리는 최첨단 초음파 프로브와 반응기를 제조 및 유통하며, 이는 까다로운 환경의 중장비 응용 분야에 전 세계적으로 사용됩니다. 초음파 전기 화학을 위해 Hielscher는 전기 화학 반응에 적합한 초음파 반응기 셀뿐만 아니라 음극 및 / 또는 양극 역할을 할 수있는 특수 초음파 프로브를 개발했습니다. 초음파 전극 및 셀은 갈바닉 / 볼타 및 전해 시스템에 사용할 수 있습니다.
 

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문헌 / 참고문헌

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• 소노-전기화학 합성으로 화학물질 제조의 효율성 향상