산업용 금속 추출을 위한 초음파 전해채취

구리, 니켈, 코발트, 아연, 은, 금, 희소 금속 및 배터리 관련 소재에 대한 전 세계 수요가 계속 증가하면서, 금속 생산업체는 광석, 정광, 광미, 재활용 공정 흐름 및 저품위 원료에서 더 많은 가치를 회수해야 한다는 압박을 받고 있습니다. 습식제련에서 금속 회수를 위해 가장 확고하게 자리 잡은 방법 중 하나는 전해추출이라고도 하는 전해채취입니다. 이는 침출액에 전류를 가하여 용존 금속 이온을 환원시키고 금속을 음극에 석출시켜 회수하는 공정입니다.

습식제련 금속 회수 향상을 위한 초음파 전해채취

초음파 전해채취는 전해채취에 고강도 초음파를 결합하여 이 원리를 발전시킵니다. 그 결과 음향 캐비테이션, 미세유동 및 전기화학적 환원이 함께 작용하는 초음파 전기화학 공정이 이루어집니다. 초음파 전해채취는 전위와 기존의 전해액 순환에만 의존하는 대신, 실제로 금속 석출이 일어나는 전극 계면 또는 그 부근에 강력한 국소 혼합을 직접 유도합니다. 초음파는 물질 전달을 향상시키고, 확산층을 교란하며, 전극 표면을 세정하고, 기체 기포를 제거하며, 전기화학 반응 속도를 높이는 데 기여한다고 널리 보고되어 있습니다.

초음파 전기 프로브: 2개의 초음파 변환기가 각각 양극과 음극을 진동시킵니다. 초음파 전극 또는 초음파 전기 프로브는 전극과 초음파 프로브의 역할을 동시에 수행하여 전해채취를 개선합니다.

광석에서 음극까지: 초음파 전착의 작동 원리

산업용 전해채취는 일반적으로 침출로 시작합니다. 이 상류 공정 단계에서는 광석, 정광, 공정 잔류물, 슬래그, 블랙 매스, 전자 폐기물 또는 기타 제련 원료에서 목표 금속을 수용액으로 용해시킵니다. 금속과 광석의 화학적 특성에 따라 침출제는 산성, 알칼리성, 염화물계, 황산염계, 시안화물계, 암모니아계, 유기산계일 수 있으며, 그 밖에도 유가 금속상을 용해하도록 화학적으로 조정될 수 있습니다.
침출 후에는 일반적으로 유가 금속이 함유된 침출액을 청징 및 정제하고, pH, 전도도, 온도, 금속 농도 및 불순물 조성을 조정합니다. 전해채취 셀에서는 이 금속 함유 전해액이 양극과 음극 사이로 흐릅니다. 제어된 전류를 가하면 용존 금속 이온이 이동하여 음극 표면에서 환원되고, 그곳에서 고체 금속 석출물을 형성합니다. 초음파 전해채취에서는 이러한 전기화학적 환경에 초음파를 도입하여 음향 에너지가 이온 전달과 전극 경계층의 갱신을 강화하도록 합니다.

간단히 설명하면 공정 순서는 다음과 같습니다:

• 침출: 광석 또는 이차 원료에서 유가 금속을 용액으로 용해시킵니다.
• 용액 조절: 선택성과 석출 거동을 개선하기 위해 침출액을 정제하거나 조정합니다.
• 초음파 전기화학적 석출: 전해채취 셀에서 초음파와 전류가 동시에 작용합니다.
• 음극 회수: 공정 설계에 따라 금속 석출물을 판, 분말, 해면, 박 또는 기타 석출 형태로 회수합니다.
• 전해액 재순환: 금속 성분이 고갈된 전해액은 재생하거나, 재활용하거나, 습식제련 공정 계통으로 되돌릴 수 있습니다.

초음파 처리가 전해채취를 개선하는 이유

많은 전해 채취 시스템에서 주요 병목은 전기 반응 자체에만 있는 것이 아닙니다. 음극 표면으로 새로운 금속 이온을 공급하고, 반응 생성물과 기포를 제거하며, 활성이 높고 깨끗하며 균일한 전극 계면을 유지하는 데에도 있습니다. 초음파는 이러한 한계를 직접적으로 해결합니다.
고출력 초음파가 전해액에 유입되면 음향 캐비테이션이 발생합니다. 즉, 미세한 기포가 형성되고 진동하며 붕괴합니다. 이러한 붕괴는 마이크로제트, 충격파 및 강한 국소 전단을 발생시킵니다. 액상 공정에서는 이로 인해 국소 혼합, 미세 혼합, 분산, 응집체 해체 및 계면 수송의 가속이 일어날 수 있습니다.
Hielscher의 초음파 및 초음파 전기화학 기술은 액체 처리를 위한 제어된 음향 캐비테이션을 중심으로 합니다. 이 기술에서는 초음파가 캐비테이션 장을 형성하여 전단, 충격파, 마이크로제트를 발생시키고 유체, 현탁액 및 슬러리에 재현성 있게 에너지를 전달합니다.
전해 채취에서는 전기화학 반응이 표면에서 일어나므로 이러한 효과가 특히 유용합니다. 초음파는 전극 부근의 농도 구배를 줄이고, 확산층을 압축하거나 교란하며, 새로운 금속 이온을 음극에 지속적으로 공급할 수 있습니다. 초음파로 강화된 전기화학적 물질 수송에 관한 최근 연구는 음향 유동에 의해 유도되는 확산층 압축을 통한 전류 증가를 설명하며, 초음파 보조 전착에 관한 연구는 캐비테이션, 미세 유동 및 음향 압력 효과를 통한 이온 수송 개선을 보고하고 있습니다.

시너지 효과: 초음파 처리와 전기화학의 결합

초음파 전해 채취의 장점은 초음파가 용액을 “교반한다”는 데에만 있지 않습니다. Hielscher Sono-Electro-Probes는 초음파 프로브와 전극을 결합하여 전기화학 시스템에 고강도 초음파와 전류를 동시에 도입합니다. 여기서 핵심은 두 에너지 장의 시너지 결합입니다. 전기 에너지는 금속 이온의 환원 반응을 구동하고, 음향 에너지는 이 반응이 일어나는 물리적 조건과 계면 조건을 개선합니다.
이러한 시너지 효과는 산업적으로 유용한 여러 이점을 제공할 수 있습니다:

• 물질 전달 증대: 초음파 처리는 음극 표면으로의 용존 금속 이온 공급을 개선하여 국소적인 고갈을 줄입니다.
• 더 깨끗한 전극 표면: 캐비테이션과 음향 유동은 부동태 피막, 느슨하게 부착된 입자, 기포 및 반응 생성물을 제거하는 데 도움을 줍니다.
• 전류 효율 향상 가능성: 활성이 더 높은 전극 계면은 농도 분극 및 표면 차단과 관련된 손실을 줄일 수 있지만, 최종 효율은 전해액의 화학적 특성과 운전 매개변수에 따라 달라집니다.
• 더 균일한 석출: 초음파 보조 전착은 더 매끄럽고 치밀하며 균일한 석출물 및 더 미세한 결정립 구조와 관련이 있는 것으로 보고되었습니다.
• 더 빠른 전착 반응 속도: 향상된 물질 전달과 표면 활성화는 최적화된 조건에서 더 높은 전착 속도를 가능하게 할 수 있습니다.
• 확산 제약 감소: 초음파는 전극의 경계층을 교란하여 금속 농도가 비교적 낮을 때에도 더 일관된 석출을 지원할 수 있습니다.
• 복잡한 전해액의 처리 개선: 초음파 교반은 분산을 개선하고 국소적인 정체를 줄여 현탁액, 미세 입자 및 처리가 어려운 침출액의 처리를 지원할 수 있습니다.

따라서 초음파 전해 채취는 느린 반응 속도, 불량한 석출물 형상, 농도 분극, 전극 오염, 기포에 의한 표면 피복 또는 낮은 금속 이온 농도로 인해 기존 전해 채취가 제약을 받는 습식 제련 공정 계통에서 특히 매력적입니다.

기존 방식과 초음파 전기화학 방식의 Pt 전극 용해 속도 비교.
연구 및 그래프: ©Vasile et al., 2021

금속 추출을 위한 산업적 이점

산업적 금속 추출에서 초음파 전해 채취의 가치는 공정 강화에 있습니다. 초음파 처리 출력, 전극 형상, 전해질 조성 및 전류 밀도가 적절히 조화를 이루면, 석출물의 형태와 전해조 운전 안정성을 개선하면서 더 짧은 시간에 더 많은 금속을 회수할 수 있는 가능성이 있습니다.

실질적으로 초음파 전해 채취는 다음을 지원합니다:

• 저품위 침출액에서의 회수: 물질 전달을 개선하면 용존 금속 농도가 이상적이지 않을 때에도 석출을 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 음극 품질 개선: 더 매끄럽고 균일한 석출물은 후속 박리, 용융, 정련 또는 분말 취급을 간소화할 수 있습니다.
• 오염물 부착 경향 감소: 지속적인 표면 갱신은 부동태화와 원치 않는 표면 피막의 영향을 줄일 수 있습니다.
• 더 콤팩트한 공정 설계: 반응 속도가 빨라지면 공정의 화학적 특성에 따라 더 작은 전해조를 사용하거나 처리량을 높일 수 있습니다.
• 이차 자원에서의 회수 향상: 배터리 블랙 매스, 전자 폐기물, 촉매, 슬래그 및 산업 잔류물에서는 물질 전달 강화가 유용한 복잡한 침출액이 흔히 생성됩니다.
• 공정 제어성 개선: 최신 초음파 시스템은 배치식 또는 연속식 인라인 설비에 통합할 수 있으며, 진폭, 체류 시간, 유량, 온도 및 에너지 투입량을 통해 조정할 수 있습니다.

Hielscher 초음파 전기화학 시스템은 독보적입니다: 초음파 전극이 초음파 프로브와 전극의 역할을 동시에 수행합니다. 초음파 전기화학 설비는 실험실 시험부터 파일럿 운전 및 산업용 인라인 생산까지 규모를 확장할 수 있는 액체 처리를 중심으로 설계되었습니다. 고출력 초음파, 24/7 연속 운전 능력, 산업용 수준의 견고함 및 적은 유지보수 요구 덕분에 Hielscher 초음파 전기화학 시스템은 산업용 초음파 전해 채취에 이상적입니다.
진폭, 에너지 투입량, 유량, 온도 및 체류 시간과 같은 매개변수를 제어하여 선형적으로 규모를 확장하면 생산 능력을 늘리는 일이 훨씬 수월해집니다.

침출–전해 채취 공정 연계에서의 초음파 전해 채취

기존 습식 제련 플랜트에서는 전해 채취가 침출, 고액 분리, 정제 후에 배치되는 경우가 많으며, 경우에 따라 용매 추출이나 이온 교환 후에 배치되기도 합니다. 초음파 전해 채취를 이러한 후단 회수 단계에 통합하면 용존 금속 이온이 고체 금속으로 전환되는 과정을 강화할 수 있습니다.

일반적인 공정 경로는 다음과 같을 수 있습니다:

1. 분쇄한 광석, 정광, 광미 또는 이차 원료를 침출하여 목표 금속을 용해합니다.
2. 불용성 맥석, 잔류 고형물 및 원치 않는 상을 제거하거나 줄입니다.
3. 선택적 전해 채취를 위해 금속이 풍부한 침출액을 화학적으로 조정합니다.
4. 초음파 전극과 순환 장치를 갖춘 전해 채취조에 전해질을 공급합니다.
5. 초음파 처리는 이온 수송과 전극 표면 갱신을 개선하고, 인가된 전류는 금속을 음극에 석출시킵니다.
6. 금속 제품을 회수하고, 전해질은 재순환하거나 추가 처리 공정으로 보냅니다.

이러한 조합은 금속 추출 산업에서 처리가 더 까다로운 자원을 다뤄야 할 때 특히 주목할 만합니다. 앞으로 사용될 많은 원료는 금속 품위가 더 낮고, 불순물이 더 많으며, 입자가 더 미세하거나, 화학적 특성이 혼재하거나, 조성이 일정하지 않습니다. 초음파 전해 채취는 전해질과 전극 표면 사이의 상호작용을 개선하여 전기화학적 회수 단계를 더 안정적으로 만드는 방법을 제공합니다.

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

전해 채취는 수용액에서 금속을 고부가가치 고체 제품으로 회수할 수 있으므로 이미 습식 제련의 핵심 공정으로 자리 잡고 있습니다. 초음파 전해 채취는 회수 효율, 전류 효율 및 에너지 소비를 개선하여 기존 전해 추출 공정을 향상시킵니다.
고출력 초음파와 전해 채취의 시너지 효과는 전기화학적 계면의 물리적 한계를 해소하고, 더욱 집약적이고 제어된 조건에서 이루어지며 잠재적으로 더 효율적인 금속 회수를 지원합니다. 광업, 재활용 및 제련 작업에서 이 기술은 점점 더 복잡해지는 원료와 더 깨끗하고 선택성이 높으며 처리량이 많은 추출 경로에 대한 요구 사이의 격차를 해소하는 데 도움이 됩니다.

공정 강화 도구로서의 초음파 전해 채취

금속 추출의 미래는 처리하기 더 어려운 자원에서 더 많은 금속을 회수하는 데 달려 있습니다. 많은 지역에서 고품위 광석이 감소하는 반면, 구리, 니켈, 코발트, 리튬 관련 금속, 귀금속 및 희소 원소에 대한 수요는 증가하고 있습니다. 동시에 산업계는 일차 광석에서 폐배터리, 전자 스크랩, 촉매, 산업 잔류물 및 공정수와 같은 이차 자원으로 관심 범위를 넓히고 있습니다.
초음파 전해 채취는 이러한 상황에서 매력적인 공정 강화 전략을 제공합니다. 전기화학적 금속 회수의 선택성과 초음파 캐비테이션의 계면 작용력을 결합하여 물질 전달, 전극 활성, 석출물 형상 및 공정 안정성을 개선할 수 있습니다. 산업 현장의 운영자에게 이는 침출된 금속 이온을 회수 가능한 금속 제품으로 전환하는 더욱 효과적인 경로를 의미합니다.
요약하면, 초음파 전해 채취는 음극 표면을 더욱 역동적인 반응 영역으로 바꿉니다. 초음파 처리는 전기화학적 계면을 활성 상태로 유지하고, 전기화학은 용존 이온을 금속으로 전환하며, 이 둘이 함께 현대적인 습식 제련 추출을 위한 강력한 플랫폼을 만듭니다.

고성능 Sono-Electro-Probes 및 SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics는 고성능 초음파 시스템 분야에서 오랜 경험을 갖춘 파트너입니다. 당사는 까다로운 환경에서 고부하 용도로 전 세계적으로 사용되는 최첨단 초음파 프로브와 반응기를 제조하고 공급합니다. Hielscher는 초음파 전기화학을 위해 음극 및/또는 양극으로 작동할 수 있는 특수 초음파 프로브와 전기화학 반응에 적합한 초음파 반응기 셀을 개발했습니다. 갈바니 / 볼타 시스템과 전해 시스템 모두에 사용할 수 있는 초음파 전극과 셀을 제공합니다.
 

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문헌 / 참고문헌

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