Sono-Elektrogewënnung fir d’industriell Metallextraktioun

Well déi weltwäit Nofro no Koffer, Néckel, Kobalt, Zénk, Sëlwer, Gold, rare Metaller a Materialie fir Batterië weider klëmmt, stinn d’Metallproduzenten ënner Drock, fir méi Wäert aus Äerzer, Konzentrater, Opbereedungsréckstänn, recycléierte Stoffstréim an Ausgangsmaterialie mat niddregem Metallgehalt ze gewannen. An der Hydrometallurgie ass d’Elektrogewënnung, och Elektroextraktioun genannt, ee vun de meescht etabléierte Weeër fir d’Metallréckgewënnung: opgeléiste Metallione ginn aus enger Auslaugungsléisung zeréckgewonnen, andeems en elektresche Stroum ugeluecht gëtt, deen d’Ione reduzéiert an d’Metall op enger Kathod ofscheet.

Sono-Elektrogewënnung fir eng verbessert hydrometallurgesch Metallréckgewënnung

D’Sono-Elektrogewënnung entwéckelt dëse Prinzip weider, andeems se d’Elektrogewënnung mat héichintensivem Ultraschall kombinéiert. D’Resultat ass e sonoelektrochemesche Prozess, bei deem akustesch Kavitatioun, Mikrostréimungen an elektrochemesch Reduktioun zesummewierken. Amplaz sech nëmmen op dat elektrescht Potenzial an déi konventionell Elektrolytzirkulatioun ze verloossen, suergt d’Sono-Elektrogewënnung fir eng intensiv lokal Vermëschung direkt un oder no bei der Elektrodegrenzfläch, wou d’Metallofscheedung tatsächlech stattfënnt. Et gëtt a ville Berichter beschriwwen, datt Ultraschall de Stofftransport verbessert, d’Diffusiounsschicht stéiert, d’Elektrodenuewerfläche botzt, Gasblosen ewechhëlt a méi héich elektrochemesch Reaktiounsvitessen ënnerstëtzt.

Sono-Elektrosonden: 2 Ultraschallwandler versetzen d’Anod respektiv d’Kathod a Schwéngung. D’Sono-Elektroden oder Sono-Elektrosonde wierke gläichzäiteg als Elektroden an Ultraschallsonde fir eng verbessert Elektrogewënnung.

Vum Äerz bis zur Kathod: Wéi d’Sono-Elektroofscheedung funktionéiert

D’industriell Elektrogewënnung fänkt normalerweis mam Auslaugen un. An dësem virgeschalte Schrëtt gëtt d’Zilmetall aus engem Äerz, Konzentrat, Prozessréckstand, Schlack, schwaarzer Mass, Elektronikoffall oder engem anere metallurgeschen Ausgangsmaterial erausgeléist an an eng wässerlech Léisung iwwerfouert. Jee no der chemescher Zesummesetzung vum Metall an dem Äerz kann d’Auslaugungsmëttel sauer, alkalesch, op Chlorid-, Sulfat- oder Cyanidbasis, ammoniakalësch, op Basis vun organesche Saieren oder op eng aner Manéier chemesch ugepasst sinn, fir déi wäertvoll Metallphas opzeléisen.
Nom Auslauge gëtt déi mat Metall ugeräichert Auslaugungsléisung normalerweis gekläert, gereinegt an a Bezuch op pH, Leetfäegkeet, Temperatur, Metallkonzentratioun an d’Zesummesetzung vun de Veronrengegungen ugepasst. An der Elektrogewënnungszell fléisst dëse metallhaltegen Elektrolyt tëscht enger Anod an enger Kathod. Wann e kontrolléierte Stroum ugeluecht gëtt, wanderen déi opgeléiste Metallionen a ginn un der Kathodenuewerfläch reduzéiert, wou se eng fest metallesch Oflagerung bilden. Bei der Sono-Elektrogewënnung gëtt Ultraschall an dëst elektrochemescht Ëmfeld agekoppelt, sou datt d’akustesch Energie den Ionentransport an d’Erneierung vun der Elektrodegrenzschicht verstäerkt.

Einfach ausgedréckt leeft de Prozess esou of:

• Auslaugen: Wäertvoll Metaller ginn aus Äerz oder sekundärem Réimaterial erausgeléist an an eng Léisung iwwerfouert.
• Konditionéierung vun der Léisung: D’Auslaugungsléisung gëtt gereinegt oder ugepasst, fir d’Selektivitéit an d’Ofscheedungsverhalen ze verbesseren.
• Sono-elektrochemesch Ofscheedung: Ultraschall an elektresche Stroum wierke gläichzäiteg an der Elektrogewënnungszell.
• Réckgewënnung vun der Kathod: D’Metalloflagerunge ginn, jee no der Prozessausleeung, als Placken, Polver, Schwamm, Folie oder aneren Oflagerungsforme gewonnen.
• Elektrolytrezirkulatioun: Den u Metall veraarmten Elektrolyt ka regeneréiert, recycléiert oder an den hydrometallurgesche Kreeslaf zeréckgefouert ginn.

Firwat d’Ultraschallbehandlung d’Elektrogewënnung verbessert

Den Haaptenkpass a ville Systemer fir d’elektrolytesch Metallgewënnung ass net nëmmen déi elektresch Reaktioun selwer. Et sinn d’Versuergung vun der Kathodenuewerfläch mat frësche Metallionen, d’Ewechhuele vu Reaktiounsprodukter a Gasblosen an d’Erhale vun enger aktiver, propperer, homogener Elektrodegrenzfläch. Ultraschall setzt direkt bei dëse Begrenzungen un.
Wann Ultraschall mat héijer Leeschtung an den Elektrolyt erakënnt, entsteet akustesch Kavitatioun: Mikroskopesch Blose bilden sech, oszilléieren a kollabéieren. Dës Zesummebréch generéiere Mikrostralen, Stousswellen an eng intensiv lokal Schéierwierkung. Bei der Veraarbechtung an der flësseger Phas kann dëst lokal Mëschung, Mikromëschung, Dispergéierung, Deagglomeratioun an e beschleunegten Transport iwwer Grenzflächen ervirruffen.
D’Ultraschall- a Sono-Elektrotechnologie vun Hielscher ass op kontrolléiert akustesch Kavitatioun fir d’Veraarbechtung vu Flëssegkeeten ausgeriicht. Dobäi generéieren Ultraschallwelle Kavitatiounsfelder, déi Schéierwierkung, Stousswellen, Mikrostralen an e reproduzéierbaren Energietransfer a Flëssegkeeten, Suspensiounen a Schlämme produzéieren.
Bei der elektrolytescher Metallgewënnung sinn dës Effekter besonnesch wäertvoll, well d’elektrocheemesch Reaktioun op enger Uewerfläch stattfënnt. Ultraschall kann d’Konzentratiounsgradienten no bei der Elektrod reduzéieren, d’Diffusiounsschicht kompriméieren oder stéieren a kontinuéierlech frësch Metallionen un d’Kathod bréngen. Rezent Aarbechten iwwer den duerch Ultraschall verstäerkten elektrocheemesche Stofftransport beschreiwen eng Erhéijung vum Stroum duerch d’Kompressioun vun der Diffusiounsschicht, déi duerch akustesch Stréimung ugedriwwe gëtt, wärend Fuerschungsaarbechten iwwer ultraschallënnerstëtzt Elektroofscheedung iwwer e verbesserten Ionentransport duerch Kavitatioun, Mikrostréimung an akustesch Drockeffekter berichten.

D’Synergie: Ultraschallbehandlung plus Elektrochemie

De Virdeel vun der Sono-Elektrogewënnung besteet net just doran, datt Ultraschall d’Léisung „réiert“. Hielscher Sono-Electro-Probes kombinéieren Ultraschallsonden an Elektroden, déi gläichzäiteg Ultraschall mat héijer Intensitéit an elektresche Stroum an en elektrocheemesche System abréngen. Dobäi ass déi synergetesch Kopplung vun zwee Energiefelder entscheedend: Elektresch Energie dreift d’Reduktiounsreaktioun vun de Metallionen un, wärend akustesch Energie déi physikalesch Bedéngungen an d’Bedéngungen un der Grenzfläch verbessert, ënner deenen dës Reaktioun stattfënnt.
Dës Synergie kann e puer industriell relevant Virdeeler schafen:

• Méi héije Stofftransport: D’Ultraschallbehandlung verbessert d’Versuergung vun der Kathodenuewerfläch mat opgeléiste Metallionen a reduzéiert doduerch déi lokal Veraarmung u Metallionen.
• Méi propper Elektrodenuewerflächen: Kavitatioun an akustesch Stréimung hëllefen, passivéierend Filmer, labber unhaftend Partikelen, Gasblosen a Reaktiounsprodukter ewechzehuelen.
• Potenzial fir eng verbessert Stroumausbeut: Eng méi aktiv Elektrodegrenzfläch kann d’Verloschter reduzéieren, déi mat Konzentratiounspolarisatioun an der Blockéierung vun der Uewerfläch verbonne sinn, obwuel déi definitiv Ausbeut vun der Elektrolytchemie an de Betribsparameteren ofhänkt.
• Méi gläichméisseg Ofscheedung: Ultraschallënnerstëtzt Elektroofscheedung gouf mat méi glaten, méi dichten, méi gläichméissegen Oflagerungen a méi feine Kärestrukturen a Verbindung bruecht.
• Méi séier Elektroofscheedungskinetik: E verstäerkte Stofftransport an d’Aktivéierung vun der Uewerfläch kënnen ënner optiméierte Bedéngunge méi héich Ofscheedungsraten erméiglechen.
• Reduzéiert Diffusiounsbegrenzungen: Andeems Ultraschall d’Grenzschicht un der Elektrod stéiert, kann en eng méi konstant Ofscheedung ënnerstëtzen, och wann d’Metallkonzentratioune relativ niddreg sinn.
• Besser Handhabung vu komplexen Elektrolyten: D’Beweegung duerch Ultraschall kann d’Veraarbechtung vu Suspensiounen, feine Partikelen a schwiereg ze verschaffenden Auslauchléisungen ënnerstëtzen, andeems se d’Dispergéierung verbessert a lokal Stagnatioun reduzéiert.

Dëst mécht d’Sono-Elektrogewënnung besonnesch attraktiv fir hydrometallurgesch Kreesleef, an deenen déi konventionell elektrolytesch Metallgewënnung duerch lues Kinetik, eng schlecht Morphologie vun den Oflagerungen, Konzentratiounspolarisatioun, Verschmotzung vun den Elektroden, Bedeckung mat Gasblosen oder eng niddreg Metallionekonzentratioun begrenzt ass.

Konventionell géintiwwer sonoelektrocheemeschen Opléisungsrate vu Pt-Elektroden.
Etüd a Grafiken: ©Vasile et al., 2021

Industriell Virdeeler fir d’Metallgewënnung

Bei der industrieller Extraktioun vu Metaller läit de Wäert vum Sono-Elektrowinning an der Prozessintensivéierung. Potenziell ka méi Metall a méi kuerzer Zäit zeréckgewonne ginn, mat enger verbesserter Morphologie vun den Oflagerungen an engem méi stabile Betrib vun der Zell, virausgesat, datt d’Ultraschallleeschtung, d’Elektrodegeometrie, d’Elektrolytzesummesetzung an d’Stroumdicht richteg openeen ofgestëmmt sinn.

An der Praxis ënnerstëtzt Sono-Elektrowinning:

• Zeréckgewënnung aus Auslaugeflëssegkeete mat niddregem Metallgehalt: E bessere Stofftransport kann hëllefen, d’Oflagerung oprechtzeerhalen, wann d’Konzentratioune vu geléiste Metaller net ideal sinn.
• Verbessert Kathodequalitéit: Méi glat a méi gläichméisseg Oflagerunge kënnen dat uschléissend Ofléisen, d’Schmëlzen, d’Raffinéieren oder d’Handhabung vu Pudder vereinfachen.
• Méi niddreg Tendenz zur Belagbildung: Eng kontinuéierlech Erneierung vun der Uewerfläch kann den Afloss vun der Passivéierung an onerwënschten Uewerflächefilmer reduzéieren.
• Méi kompakt Prozessgestaltung: Eng méi séier Kinetik ka méi kleng Zellen oder e méi héijen Duerchsaz erméiglechen, jee no der Prozesscheemie.
• Verbessert Zeréckgewënnung aus sekundäre Ressourcen: Schwaarzmass aus Batterien, Elektronikoffall, Katalysatoren, Schlaken an industriell Reschter féieren dacks zu komplexen Auslaugungsléisungen, bei deenen e verstäerkte Stofftransport wäertvoll ass.
• Besser Reegelbarkeet vum Prozess: Modern Ultraschallsystemer kënnen a Chargenopbauten oder a kontinuéierlech Inline-Opbauten integréiert ginn an iwwer d’Amplitüd, d’Verzäitzäit, d’Duerchflossrate, d’Temperatur an den Energieandrag agestallt ginn.

D’Sono-Elektro-Systemer vun Hielscher sinn eenzegaarteg: D’Sono-Elektrod wierkt gläichzäiteg als Ultraschallsond an als Elektrod. D’Sono-Elektro-Opbaute si fir eng skaléierbar Veraarbechtung vu Flëssegkeeten ausgeluecht, vu Labortester iwwer de Pilotbetrib bis zur industrieller Inline-Produktioun. Ultraschall mat héijer Leeschtung, d’Fäegkeet fir e kontinuéierleche Betrib 24/7, Robustheet fir den industriellen Asaz an e geréngen Ënnerhaltsopwand maachen d’Sono-Elektro-Systemer vun Hielscher ideal fir industriellt Sono-Elektrowinning.
Eng linear Skaléierung iwwer kontrolléiert Parametere wéi Amplitüd, Energieandrag, Duerchflossrate, Temperatur a Verzäitzäit erliichtert d’Erhéijung vun de Produktiounskapazitéiten däitlech.

Sono-Elektrowinning an der Prozesskette vun der Auslaugung bis zum Elektrowinning

An enger konventioneller hydrometallurgescher Anlag kënnt den Elektrowinning dacks no der Auslaugung, der Trennung vu Feststoffer a Flëssegkeeten, der Rengegung an heiansdo der Léisungsmëttelextraktioun oder dem Ionenaustausch. Sono-Elektrowinning kann an dësen nogeschaltene Schrëtt vun der Zeréckgewënnung integréiert ginn, fir d’Ëmwandlung vu geléiste Metallionen a fest Metall ze intensivéieren.

En typesche Prozessoflaf ka sou ausgesinn:

1. Zerklengerten Äerz, Konzentrat, Opbereedungsreschter oder sekundäre Réistoff gëtt ausgelaugt, fir d’Zilmetall ze léisen.
2. Onléislecht Begleetgesteng, iwwreg Feststoffer an onerwënscht Phase ginn ewechgeholl oder reduzéiert.
3. Déi mat Metall ugeräichert Auslaugungsléisung gëtt cheemesch fir de selektiven Elektrowinning agestallt.
4. Den Elektrolyt gëtt an eng Elektrowinning-Zell geleet, déi mat Sono-Elektroden an enger Zirkulatioun equipéiert ass.
5. D’Ultraschallbehandlung verbessert den Ionentransport an d’Erneierung vun der Elektrodenuewerfläch, wärend den ugeluechte Stroum d’Metall op der Kathod oflagert.
6. D’Metallprodukt gëtt ofgeholl, an den Elektrolyt gëtt recycléiert oder enger weiderer Behandlung zougefouert.

Dës Kombinatioun ass besonnesch interessant, wann d’Metallextraktiounsindustrie méi usprochsvoll Ressourcë verschaffe muss. Vill zukünfteg Ausgangsmaterialien hu méi niddreg Metallgehalter, méi Veronrengegungen, méi reng Partikelen, gemëschte cheemesch Zesummesetzungen oder eng variabel Zesummesetzung. Sono-Elektrowinning bitt e Wee, fir den elektrocheemesche Schrëtt vun der Zeréckgewënnung méi robust ze maachen, andeems d’Wiesselwierkung tëscht dem Elektrolyt an der Elektrodenuewerfläch verbessert gëtt.

Sono-elektrocheemesch Metallzeréckgewënnung: Méi héich Ausbezuele bei méi niddrege Prozesskäschten

D’elektrolytesch Metallgewënnung ass schonn e Grondpilier vun der Hydrometallurgie, well si Metaller aus wässerege Léisungen als héichwäerteg fest Produkter réckgewanne kann. D’sonoelektrolytesch Metallgewënnung verbessert déi konventionell Elektroextraktioun, andeems si d’Réckgewënnungseffizienz, d’Stroumausbeut an den Energieverbrauch verbessert.
Déi synergistesch Effekter vu Leeschtungsultraschall an elektrolytescher Metallgewënnung wierken de physikalesche Limitatioune vun der elektrocheemescher Grenzfläch entgéint an ënnerstëtzen eng méi intensiv, kontrolléiert a potenziell méi effizient Metallréckgewënnung. Fir Biergbau-, Recycling- a metallurgesch Betriber hëlleft d’Technologie, d’Lück tëscht ëmmer méi komplexen Ausgangsmaterialien an dem Besoin u méi propperen, méi selektiven Extraktiounsweeër mat méi héijem Duerchsaz ze iwwerbrécken.

Sonoelektrolytesch Metallgewënnung als Instrument fir d’Prozessintensivéierung

D’Zukunft vun der Metallextraktioun wäert dovun ofhänken, méi Metall aus Ressourcen ze gewannen, déi méi schwéier ze verschaffe sinn. Äerzer mat héijem Metallgehalt ginn a ville Regioune méi rar, wärend d’Nofro no Koffer, Néckel, Kobalt, Metaller am Zesummenhang mat Lithium, Edelmetaller a seelenen Elementer klëmmt. Gläichzäiteg erweidert d’Industrie hire Fokus vu primären Äerzer op sekundär Ressourcen ewéi verbrauchte Batterien, Elektronikschrott, Katalysatoren, industriell Réckstänn a Prozesswaasser.
D’sonoelektrolytesch Metallgewënnung bitt eng iwwerzeegend Strategie fir d’Prozessintensivéierung an dësem Ëmfeld. Andeems si d’Selektivitéit vun der elektrocheemescher Metallréckgewënnung mat der Wierkung vun der Ultraschallkavitatioun op d’Grenzfläche verbënnt, kann si de Stofftransport, d’Elektrodenaktivitéit, d’Morphologie vun den Oflagerungen an d’Robustheet vum Prozess verbesseren. Fir industriell Bedreiwer bedeit dat e méi leeschtungsfäege Wee vun ausgelaugte Metallionen zu engem réckgewënnbare Metallprodukt.
Kuerz gesot mécht d’sonoelektrolytesch Metallgewënnung aus der Kathodenuewerfläch eng méi dynamesch Reaktiounszon. D’Ultraschallbehandlung hält d’elektrocheemesch Grenzfläch aktiv; d’Elektrochemie wandelt geléisten Ionen a Metall ëm; an zesumme schafe si eng leeschtungsfäeg Plattform fir déi modern hydrometallurgesch Extraktioun.

Héichleeschtungs-Sono-Electro-Probes a SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics ass Äre Partner mat laangjäreger Erfarung fir héichleeschtungsfäeg Ultraschallsystemer. Mir produzéieren a verdreiwen Ultraschallsonden a Reakteren nom neiste Stand vun der Technik, déi weltwäit fir Uwendunge mat héijer Belaaschtung an usprochsvollen Ëmfelder agesat ginn. Fir d’Sonoelektrochemie huet Hielscher speziell Ultraschallsonden entwéckelt, déi als Kathod an/oder Anod dénge kënnen, souwéi Ultraschallreakterzellen, déi fir elektrocheemesch Reaktioune gëeegent sinn. Ultraschallelektroden an -zelle si souwuel fir galvanesch / voltaesch wéi och fir elektrolytesch Systemer disponibel.
 

Kontaktéiert eis elo a sot eis, wéi eng Ufuerderungen Ären elektrocheemesche Prozess stellt! Mir recommandéieren Iech déi am beschte gëeegent Ultraschallelektroden a Reakterkonfiguratioun!
 

Literatur / Referenzen

• 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