Sono-elektrolīze metālu ieguvei rūpniecībā

Tā kā pasaules pieprasījums pēc vara, niķeļa, kobalta, cinka, sudraba, zelta, retzemju metāliem un baterijām nepieciešamajiem materiāliem turpina pieaugt, metālu ražotāji saskaras ar nepieciešamību iegūt lielāku pievienoto vērtību no rūdām, koncentrātiem, atliekvielām, pārstrādātajiem materiāliem un zemas kvalitātes izejvielām. Hidrometālurģijā viens no visplašāk izmantotajiem metāla ieguves veidiem ir elektrolīze, kas pazīstama arī kā elektroekstrakcija: izšķīdušos metāla jonus atgūst no izskalošanas šķīduma, pielietojot elektrisko strāvu, kas jonus reducē un nogulsnē metālu uz katoda.

Sonoelektrolīze metālu atgūšanas uzlabošanai hidrometālurģijā

Sonoelektrolīze pilnveido šo principu, apvienojot elektrolīzi ar augstas intensitātes ultraskaņu. Rezultātā rodas sonoelektroķīmisks process, kurā kopīgi darbojas akustiskā kavitācija, mikrostraumes un elektroķīmiskā reducēšana. Tā vietā, lai paļautos tikai uz elektrisko potenciālu un tradicionālo elektrolīta cirkulāciju, sonoelektrolīze nodrošina intensīvu lokālu sajaukšanos tieši uz elektrodu saskares virsmas vai tās tuvumā, kur faktiski notiek metāla nogulsnēšanās. Ir plaši ziņots, ka ultraskaņa uzlabo masas pārnesi, traucē difūzijas slāni, attīra elektrodu virsmas, noņem gāzes burbuļus un veicina augstākus elektroķīmiskos ātrumus.

Ultraskaņas elektrozondes: divi ultraskaņas devēji attiecīgi kustinā anodu un katodu. Ultraskaņas elektrodi vai ultraskaņas elektrozondes vienlaikus darbojas gan kā elektrodi, gan kā ultraskaņas zondes, lai uzlabotu elektrolīzi.

No rūdas līdz katodam: kā darbojas ultraskaņas elektrodepozīcija

Rūpnieciskā elektrolītiskā ieguve parasti sākas ar izskalošanu. Šajā sākotnējā posmā mērķa metāls tiek izšķīdināts no rūdas, koncentrāta, pārstrādes atliekām, izdedžiem, melnās masas, elektronisko atkritumu vai cita metalurģiskā izejmateriāla, iegūstot ūdens šķīdumu. Atkarībā no metāla un rūdas ķīmiskā sastāva izskalošanas šķīdums var būt skābs, sārmains, uz hlorīda, sulfāta vai cianīda bāzes, amonjaka, uz organiskās skābes bāzes vai citādi ķīmiski pielāgots, lai izšķīdinātu vērtīgo metāla fāzi.
Pēc izskalošanas bagātīgo izskalošanas šķīdumu parasti noskaidro, attīra un pielāgo pH, vadītspēju, temperatūru, metāla koncentrāciju un piemaisījumu sastāvu. Elektrolīzes kamerā šis metālu saturošais elektrolīts plūst starp anodu un katodu. Pieslēdzot kontrolētu strāvu, izšķīdušie metāla joni pārvietojas un tiek reducēti uz katoda virsmas, kur tie veido cietu metāla nogulsni. Sonoelektrolīzē šajā elektroķīmiskajā vidē tiek ievadīts ultraskaņas signāls, lai akustiskā enerģija pastiprinātu jonu pārnesi un elektrodu robežslāņa atjaunošanos.

Vienkārši izsakoties, procesa secība ir šāda:

• Izskalošanās: Vērtīgie metāli tiek izšķīdināti no rūdas vai otrreizējām izejvielām šķīdumā.
• Šķīduma kondicionēšana: Izskalošanas šķidrumu attīra vai pielāgo, lai uzlabotu selektivitāti un nogulsnēšanās īpašības.
• Sonoelektroķīmiskā nogulsnēšana: Elektrolīzes kamerā vienlaikus darbojas ultraskaņa un elektriskā strāva.
• Katoda reģenerācija: Metāla nogulsnes tiek iegūtas lokšņu, pulvera, sūklveida, folijas vai citā formā atkarībā no procesa uzbūves.
• Elektrolītu recirkulācija: Izsmelto elektrolītu var reģenerēt, pārstrādāt vai atgriezt hidrometālurģiskajā ciklā.

Kāpēc ultraskaņas apstrāde uzlabo elektrolīzi

Galvenais šķērslis daudzās elektrolīzes sistēmās ir ne tikai pati elektriskā reakcija. Tas ir svaigu metāla jonu piegāde uz katoda virsmas, reakcijas produktu un gāzes burbuļu noņemšana, kā arī aktīvas, tīras un viendabīgas elektrodu saskares virsmas uzturēšana. Ultraskaņa tieši novērš šos ierobežojumus.
Kad lieljaudas ultraskaņa nonāk elektrolītā, tā izraisa akustisko kavitāciju: veidojas mikroskopiski burbuļi, kas svārstās un sabrūk. Šie sabrukumi rada mikrostrūklas, triecienviļņus un intensīvu lokālu šķērsgriezumu. Apstrādē šķidrā fāzē tas var izraisīt lokalizētu sajaukšanu, mikrosajaukšanu, dispersiju, deaglomerāciju un paātrinātu transportu starp fāzēm.
Hielscher ultraskaņas un sonoelektrotehnoloģija balstās uz kontrolētu akustisko kavitāciju šķidrumu apstrādei, kur ultraskaņas viļņi rada kavitācijas laukus, kas izraisa šķērsspēku, triecienviļņus, mikrostrūklas un reproducējamu enerģijas pārnesi šķidrumos, suspensijās un šķidrās pastās.
Elektrolīzes procesā šie efekti ir īpaši vērtīgi, jo elektroķīmiskā reakcija notiek uz virsmas. Ultraskaņa var samazināt koncentrācijas gradientus elektrodu tuvumā, saspiest vai izjaukt difūzijas slāni un nepārtraukti piegādāt svaigus metāla jonus uz katodu. Nesenie pētījumi par ultraskaņas pastiprinātu elektroķīmisko masu transportu apraksta strāvas pastiprināšanos, ko nodrošina difūzijas slāņa saspiešana, ko izraisa akustiskā plūsma, savukārt pētījumi par ultraskaņas palīdzētu elektrodēpozīciju liecina par uzlabotu jonu transportu, ko nodrošina kavitācija, mikroplūsma un akustiskā spiediena efekti.

Sinerģija: ultraskaņas apstrāde un elektroķīmija

Sonoelektrolīzes priekšrocība ir ne tikai tas, ka ultraskaņa “maisās” risinājums. Hielscher Sono-Electro-Probes apvieno ultraskaņas zondes un elektrodus, kas vienlaikus ievada augstas intensitātes ultraskaņu un elektrisko strāvu elektroķīmiskajā sistēmā. Šajā gadījumā galvenais ir divu enerģijas lauku sinerģiskais savienojums: elektriskā enerģija virza metāla jonu reducēšanas reakciju, savukārt akustiskā enerģija uzlabo fizikālos un robežvirsmas apstākļus, kādos šī reakcija noris.
Šī sinerģija var radīt vairākas rūpniecībai nozīmīgas priekšrocības:

• Lielāka masas pārnese: Ultraskaņas apstrāde uzlabo izšķīdušo metālu jonu piegādi uz katoda virsmas, samazinot lokālo izsīkšanu.
• Tīrākas elektrodu virsmas: Kavitācija un akustiskā plūsma palīdz noņemt pasivējošos slāņus, vāji piestiprinātas daļiņas, gāzes burbuļus un reakcijas produktus.
• Uzlabotais strāvas efektivitātes potenciāls: Aktīvāka elektrodu saskares virsma var samazināt zudumus, kas saistīti ar koncentrācijas polarizāciju un virsmas nosprostošanos, lai gan galīgais efektivitātes rādītājs ir atkarīgs no elektrolīta ķīmiskā sastāva un darbības parametriem.
• Vienmērīgāka nogulsnēšanās: Ar ultraskaņas palīdzību veikta elektrolītiskā nogulsnēšana ir saistīta ar gludākiem, blīvākiem un vienmērīgākiem nogulsnējumiem, kā arī smalkāku graudu struktūru.
• Ātrāka galvanizācijas kinētika: Uzlabota vielu pārnese un virsmas aktivizēšana optimizētos apstākļos var nodrošināt augstākus nogulsnēšanās ātrumus.
• Ierobežojumi saistībā ar samazinātu difūziju: Traucējot robežslāni pie elektroda, ultraskaņa var veicināt vienmērīgāku nogulsnēšanos pat tad, ja metāla koncentrācija ir salīdzinoši zema.
• Labāka sarežģītu elektrolītu apstrāde: Ultraskaņas maisīšana var atvieglot suspensiju, smalko daļiņu un grūti izskalojošu šķidrumu apstrādi, uzlabojot dispersiju un samazinot lokālu stagnāciju.

Tāpēc sonoelektrolīze ir īpaši pievilcīga hidrometālurģiskajās iekārtās, kur tradicionālo elektrolīzi ierobežo lēna kinētika, neapmierinoša nogulumu morfoloģija, koncentrācijas polarizācija, elektrodu nosēdumi, gāzes burbuļu pārklājums vai zema metāla jonu koncentrācija.

Pt elektrodu izšķīšanas ātrumi tradicionālajā un sonoelektroķīmiskajā procesā.
Pētījums un diagrammas: ©Vasile et al., 2021

Rūpnieciskās priekšrocības metāla ieguvei

Metālu rūpnieciskajā ieguves procesā ultraskaņas-elektrolīzes priekšrocība slēpjas procesa intensifikācijā. Ja ultraskaņas jauda, elektrodu ģeometrija, elektrolīta sastāvs un strāvas blīvums ir pareizi saskaņoti, īsākā laikā ir iespējams iegūt lielāku metāla daudzumu, nodrošinot uzlabotu nogulumu morfoloģiju un stabilāku elementu darbību.

Praktiski sonoelektrolīze nodrošina:

• Atgūšana no vāji koncentrētiem izskalošanas šķīdumiem: Labāka vielu pārnese var palīdzēt uzturēt nogulsnēšanos, ja izšķīdušo metālu koncentrācijas nav ideālas.
• Uzlabota katoda kvalitāte: Gludāki un vienmērīgāki nogulsnējumi var atvieglot turpmākos posmus — atdalīšanu, kausēšanu, rafinēšanu vai pulvera apstrādi.
• Mazāka tendence uz netīrumu uzkrāšanos: Nepārtraukta virsmas atjaunošana var samazināt pasivizācijas un nevēlamu virsmas plēvju ietekmi.
• Kompaktāks procesa izstrādes risinājums: Ātrāka kinētika var nodrošināt mazākas šūnas vai lielāku caurlaidspēju, atkarībā no procesa ķīmiskajiem apstākļiem.
• Uzlabota naftas ieguve no sekundārajiem avotiem: Akumulatoru melnās masas, elektronisko atkritumu, katalizatoru, izdedžu un rūpniecisko atlieku apstrādes procesā bieži rodas sarežģīti izskalošanas šķīdumi, kuru gadījumā ir svarīgi nodrošināt pastiprinātu vielu pārnesi.
• Labāka procesa vadāmība: Mūsdienīgas ultraskaņas sistēmas var integrēt partiju vai nepārtrauktas ražošanas līnijās un regulēt, mainot amplitūdu, uzturēšanās laiku, plūsmas ātrumu, temperatūru un enerģijas patēriņu.

Hielscher sono-elektro-sistēmas ir unikālas: sono-elektrods vienlaikus darbojas gan kā ultraskaņas zonde, gan kā elektrods. Sono-elektro-iekārtas ir izstrādātas, lai nodrošinātu skalējamu šķidrumu apstrādi — sākot no laboratorijas testēšanas līdz izmēģinājuma ekspluatācijai un rūpnieciskai ražošanai līnijas režīmā. Augstas jaudas ultraskaņa, iespēja darboties nepārtraukti 24 stundas diennaktī, 7 dienas nedēļā, rūpnieciskā līmeņa izturība un nelielas apkopes prasības padara Hielscher sono-elektro-sistēmas ideāli piemērotas rūpnieciskai sono-elektro-iegūšanai.
Lineāra ražošanas apjoma palielināšana, kontrolējot tādus parametrus kā amplitūda, enerģijas patēriņš, plūsmas ātrums, temperatūra un uzturēšanās laiks, ievērojami veicina ražošanas jaudas palielināšanu.

Sonoelektrolīze izskalošanas–elektrolīzes procesa ķēdē

Parastajā hidrometālurģijas rūpnīcā elektrolīze bieži tiek veikta pēc izskalošanas, cietvielu un šķidrumu atdalīšanas, attīrīšanas un dažkārt arī pēc šķīdinātāja ekstrakcijas vai jonu apmaiņas. Sonoelektrolīzi var integrēt šajā turpmākajā atgūšanas posmā, lai pastiprinātu izšķīdušo metāla jonu pārvēršanu cietā metālā.

Tipisks procesa gaita var izskatīties šādi:

1. Sasmalcināta rūda, koncentrāts, atliekas vai sekundārās izejvielas tiek izskalotas, lai izšķīdinātu mērķa metālu.
2. Nešķīstošā gangu, atlikušās cietās vielas un nevēlamās fāzes tiek noņemtas vai to daudzums tiek samazināts.
3. Grūtniecības stadijā esošais izdalīšanas šķīdums tiek ķīmiski pielāgots selektīvai elektrolītiskai iegūšanai.
4. Elektrolīts tiek padots elektrolīzes kamerā, kas aprīkota ar sonoelektrodiem un cirkulācijas sistēmu.
5. Ultraskaņas iedarbība uzlabo jonu transportu un elektrodu virsmas atjaunošanos, kamēr pielietotā strāva uzklāj metālu uz katoda.
6. Metāla izstrādājums tiek savākts, un elektrolīts tiek pārstrādāts vai nosūtīts tālākai apstrādei.

Šī kombinācija ir īpaši interesanta gadījumos, kad metālu ieguves nozarei ir jāpārstrādā sarežģītāki resursi. Daudzas nākotnes izejvielas satur zemāku metāla saturu, vairāk piemaisījumu, smalkākas daļiņas, dažādas ķīmiskās vielas vai mainīgu sastāvu. Sono-elektroizdalīšana piedāvā veidu, kā padarīt elektroķīmiskās atdalīšanas posmu stabilāku, uzlabojot mijiedarbību starp elektrolītu un elektrodu virsmu.

Sonoelektroķīmiskā metālu reģenerācija: lielāks iznākums pie zemākām procesa izmaksām

Elektroizdalīšana jau ir hidrometālurģijas stūrakmens, jo tā ļauj iegūt metālus no ūdens šķīdumiem kā augstas vērtības cietos produktus. Sono-elektroizdalīšana uzlabo tradicionālo elektroizdalīšanu, palielinot izdalīšanas efektivitāti, strāvas efektivitāti un samazinot enerģijas patēriņu.
Jaudīgā ultraskaņas un elektrolīzes sinerģiskā iedarbība novērš elektroķīmiskās saskares fiziskos ierobežojumus un veicina intensīvāku, kontrolētāku un potenciāli efektīvāku metāla atgūšanu. Kalnrūpniecībā, pārstrādē un metalurģijā šī tehnoloģija palīdz pārvarēt plaisu starp arvien sarežģītākiem izejmateriāliem un nepieciešamību pēc tīrākiem, selektīvākiem un augstākas caurlaidspējas ieguves paņēmieniem.

Sonoelektrolīze kā procesa intensifikācijas līdzeklis

Metālu ieguves nākotne būs atkarīga no tā, vai izdosies iegūt vairāk metāla no grūtāk apstrādājamiem resursiem. Daudzos reģionos augstas kvalitātes rūdu krājumi samazinās, savukārt pieprasījums pēc vara, niķeļa, kobalta, ar litiju saistītiem metāliem, dārgmetāliem un retzemju elementiem pieaug. Tajā pašā laikā nozare paplašina savu darbības jomu, pievēršoties ne tikai primārajām rūdām, bet arī sekundārajiem resursiem, piemēram, izlietotajām baterijām, elektronisko iekārtu lūžņiem, katalizatoriem, rūpnieciskajiem atliekvielām un ražošanas procesā radušajiem notekūdeņiem.
Sono-elektrolīze piedāvā pārliecinošu procesa intensifikācijas stratēģiju šajā jomā. Apvienojot elektrokīmiskās metāla reģenerācijas selektivitāti ar ultraskaņas kavitācijas saskares virsmas iedarbību, tā var uzlabot masas pārnesi, elektrodu aktivitāti, nogulumu morfoloģiju un procesa stabilitāti. Rūpniecības uzņēmumiem tas nozīmē efektīvāku ceļu no izskalotajiem metāla joniem līdz reģenerējamam metāla produktam.
Īsumā, sonoelektrolīze pārvērš katoda virsmu par dinamiskāku reakcijas zonu. Ultraskaņas iedarbība uztur elektroķīmisko saskarnes zonu aktīvu; elektroķīmija pārvērš izšķīdušos jonus metālā; un abi šie procesi kopā veido spēcīgu platformu mūsdienīgai hidrometālurģiskai ieguvei.

Augstas veiktspējas sonoelektrozondes un sonoelektro reaktori

Hielscher Ultrasonics ir jūsu ilggadējs pieredzējis partneris augstas veiktspējas ultraskaņas sistēmām. Mēs ražojam un izplatām vismodernākās ultraskaņas zondes un reaktorus, kurus visā pasaulē izmanto lieljaudas lietojumiem prasīgā vidē. Sonoelectrochemistry Hielscher ir izstrādājis īpašas ultraskaņas zondes, kas var darboties kā katods un / vai anods, kā arī ultraskaņas reaktora šūnas, kas piemērotas elektroķīmiskām reakcijām. Ultraskaņas elektrodi un šūnas ir pieejamas galvaniskajām / voltaiskajām, kā arī elektrolītiskajām sistēmām.
 

Sazinieties ar mums tagad un pastāstiet mums par savām elektroķīmiskā procesa prasībām! Mēs jums ieteiksim vispiemērotākos ultraskaņas elektrodus un reaktora iestatīšanu!
 

Literatūra / Atsauces

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Kā padarīt dārgmetālus lētākus: Sonoelektroķīmiska – hidrodinamiskā kavitācijas metode platīna grupas metālu reģenerācijai no izlietotiem automobiļu katalizatoriem. „Ultrasonics Sonochemistry“, 72. sējums, 2021. gads.
• Šerifs S. Rašvans, Ibrahims Dincers, Atefs Mohanijs, Bruno G. Pollets (2019): „Sono-Hydro-Gen“ process (ultraskaņas indukta ūdeņraža ražošana): izaicinājumi un iespējas. „International Journal of Hydrogen Energy”, 44. sējums, 29. numurs, 2019, 14500–14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): Cikliskās voltametrijas pētījums par Cu-Zn sakausējuma plēvju elektrodepozīciju: ultraskaņas iedarbības laika ietekme„Acta Physica Polonica“, 132. sējums, 2017. 1087–1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): Ievads sonoelektroķīmijā Grāmatā: „Jaudīgais ultraskaņas pielietojums elektroķīmijā: no daudzpusīga laboratorijas rīka līdz inženiertehniskam risinājumam”, pirmā izdevuma. Sastādītājs: Bruno G. Pollet. 2012. gads, izdevniecība „John Wiley“ & Sons, SIA
• Haas, I.: „Domas A.“ (2008): Metāliskā magnija nanodaļiņu sintēze, izmantojot sonoelektroķīmiju. „Chemical Communications“ 15(15), 2008. 1795–1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri, R. (2014): Polipirrola plēvju sonoelektroķīmiskā un elektroķīmiskā sintēze uz St-12 tērauda, kā arī to korozijas un morfoloģiskie pētījumi. „Advances in Polymer Technology“, 33. sējums, 3. numurs; 2014. gads.
• Sonoelektroķīmiskā sintēze uzlabo ķīmiskās ražošanas efektivitāti