Sono-elektrowinning voor industriële metaalwinning

Nu de wereldwijde vraag naar koper, nikkel, kobalt, zink, zilver, goud, zeldzame metalen en materialen voor batterijen blijft stijgen, staan metaalproducenten onder druk om meer waarde terug te winnen uit ertsen, concentraten, residuen van ertsverwerking, gerecyclede materiaalstromen en laagwaardige grondstoffen. In de hydrometallurgie is elektrowinning, ook bekend als elektro-extractie, een van de meest gevestigde methoden voor metaalterugwinning: opgeloste metaalionen worden teruggewonnen uit een uitloogoplossing door een elektrische stroom aan te leggen, die de ionen reduceert en het metaal op een kathode afzet.

Sono-elektrowinning voor verbeterde hydrometallurgische metaalterugwinning

Sono-elektrowinning bouwt voort op dit principe door elektrowinning te combineren met ultrageluid met hoge intensiteit. Het resultaat is een sono-elektrochemisch proces waarin akoestische cavitatie, microstromingen en elektrochemische reductie samenwerken. In plaats van uitsluitend te vertrouwen op elektrische potentiaal en conventionele elektrolytcirculatie, zorgt sono-elektrowinning voor intensieve lokale menging direct aan of nabij het grensvlak van de elektrode, waar de metaalafzetting daadwerkelijk plaatsvindt. In de literatuur wordt veelvuldig gerapporteerd dat ultrageluid het massatransport verbetert, de diffusielaag verstoort, elektrodeoppervlakken reinigt, gasbellen verwijdert en hogere elektrochemische reactiesnelheden ondersteunt.

Sono-elektrosondes: 2 ultrasone transducers brengen respectievelijk de anode en de kathode in trilling. De sono-elektroden of sono-elektrosondes fungeren tegelijkertijd als elektroden en ultrasone sondes voor verbeterde elektrowinning.

Van erts tot kathode: hoe sono-elektrodepositie werkt

Industriële elektrowinning begint doorgaans met uitloging. In deze voorafgaande stap wordt het doelmetaal uit een erts, concentraat, procesresidu, slak, zwarte massa, elektronisch afval of andere metallurgische grondstof opgelost in een waterige oplossing. Afhankelijk van de chemische samenstelling van het metaal en het erts kan het uitloogmiddel zuur, alkalisch, op basis van chloride, sulfaat, cyanide, ammoniak of organische zuren zijn, of op een andere manier chemisch zijn afgestemd op het oplossen van de waardevolle metaalfase.
Na de uitloging wordt de metaalrijke uitloogoplossing doorgaans geklaard, gezuiverd en aangepast wat betreft pH, geleidbaarheid, temperatuur, metaalconcentratie en verontreinigingsprofiel. In de elektrowinningcel stroomt deze metaalhoudende elektrolyt tussen een anode en een kathode. Wanneer een gecontroleerde stroom wordt aangelegd, migreren opgeloste metaalionen en worden ze aan het kathodeoppervlak gereduceerd, waar ze een vaste metaalafzetting vormen. Bij sono-elektrowinning wordt ultrageluid in deze elektrochemische omgeving ingebracht, zodat akoestische energie het transport van ionen en de vernieuwing van de grenslaag bij de elektrode intensiveert.

Eenvoudig gezegd verloopt het proces als volgt:

• Uitloging: Waardevolle metalen worden uit erts of secundaire grondstoffen opgelost en in oplossing gebracht.
• Conditionering van de oplossing: De uitloogvloeistof wordt gezuiverd of aangepast om de selectiviteit en het afzettingsgedrag te verbeteren.
• Sono-elektrochemische afzetting: Ultrageluid en elektrische stroom werken gelijktijdig in de elektrowinningcel.
• Terugwinning van de kathodeafzetting: Metaalafzettingen worden geoogst als platen, poeder, spons, folie of andere afzettingsvormen, afhankelijk van het procesontwerp.
• Recirculatie van de elektrolyt: De verarmde elektrolyt kan worden geregenereerd, gerecycled of teruggevoerd naar het hydrometallurgische circuit.

Waarom sonicatie elektrowinning verbetert

Het belangrijkste knelpunt in veel elektrowinningsystemen is niet alleen de elektrische reactie zelf. Het betreft de aanvoer van verse metaalionen naar het kathodeoppervlak, de verwijdering van reactieproducten en gasbellen, en het behoud van een actief, schoon en homogeen elektrodegrensvlak. Ultrageluid pakt deze beperkingen rechtstreeks aan.
Wanneer ultrageluid met hoog vermogen de elektrolyt binnendringt, ontstaat akoestische cavitatie: microscopische bellen vormen zich, oscilleren en imploderen. Deze implosies genereren microjets, schokgolven en intense lokale afschuiving. Bij verwerking in de vloeistoffase kan dit zorgen voor lokale menging, micromenging, dispersie, deagglomeratie en versneld transport aan grensvlakken.
De ultrasone en sono-elektrotechnologie van Hielscher is gericht op gecontroleerde akoestische cavitatie voor vloeistofverwerking, waarbij ultrasone golven cavitatievelden genereren die afschuiving, schokgolven, microjets en reproduceerbare energieoverdracht naar vloeistoffen, suspensies en slurries veroorzaken.
Bij elektrowinning zijn deze effecten bijzonder waardevol omdat de elektrochemische reactie aan een oppervlak plaatsvindt. Ultrageluid kan concentratiegradiënten nabij de elektrode verminderen, de diffusielaag comprimeren of verstoren en voortdurend verse metaalionen naar de kathode aanvoeren. Recent onderzoek naar door ultrageluid versterkt elektrochemisch massatransport beschrijft een stroomtoename door compressie van de diffusielaag als gevolg van akoestische stroming, terwijl onderzoek naar door ultrageluid ondersteunde elektrodepositie verbeterd ionentransport door cavitatie, microstroming en akoestische drukeffecten rapporteert.

De synergie: sonicatie plus elektrochemie

Het voordeel van sono-elektrowinning is niet alleen dat ultrageluid de oplossing “roert”. Hielscher Sono-Electro-Probes combineren ultrasone sondes en elektroden die gelijktijdig ultrageluid met hoge intensiteit en elektrische stroom in een elektrochemisch systeem inbrengen. De sleutel hierbij is de synergetische koppeling van twee energievelden: elektrische energie drijft de reductiereactie van metaalionen aan, terwijl akoestische energie de fysische omstandigheden en de omstandigheden aan het grensvlak verbetert waaronder die reactie plaatsvindt.
Deze synergie kan verschillende industrieel relevante voordelen opleveren:

• Hogere massaoverdracht: Sonicatie verbetert de aanvoer van opgeloste metaalionen naar het kathodeoppervlak, waardoor lokale uitputting wordt verminderd.
• Schonere elektrodeoppervlakken: Cavitatie en akoestische stroming helpen passiverende films, los aangehechte deeltjes, gasbellen en reactieproducten te verwijderen.
• Groter potentieel voor een hoger stroomrendement: Een actiever elektrodegrensvlak kan verliezen door concentratiepolarisatie en oppervlakteblokkering verminderen, hoewel het uiteindelijke rendement afhangt van de chemische samenstelling van de elektrolyt en de bedrijfsparameters.
• Gelijkmatigere afzetting: Door ultrageluid ondersteunde elektrodepositie is in verband gebracht met gladdere, dichtere en gelijkmatigere afzettingen en fijnere korrelstructuren.
• Snellere elektrodepositiekinetiek: Verbeterde massaoverdracht en oppervlakteactivering kunnen onder geoptimaliseerde omstandigheden hogere afzettingssnelheden mogelijk maken.
• Verminderde diffusiebeperkingen: Door de grenslaag bij de elektrode te verstoren, kan ultrageluid een constantere afzetting ondersteunen, zelfs wanneer de metaalconcentraties relatief laag zijn.
• Betere verwerking van complexe elektrolyten: Ultrasone agitatie kan de verwerking van suspensies, fijne deeltjes en moeilijk te verwerken uitloogvloeistoffen ondersteunen door de dispersie te verbeteren en lokale stagnatie te verminderen.

Dit maakt sono-elektrowinning bijzonder aantrekkelijk voor hydrometallurgische circuits waarin conventionele elektrowinning wordt beperkt door trage kinetiek, ongunstige afzettingsmorfologie, concentratiepolarisatie, elektrodevervuiling, bedekking door gasbellen of een lage metaalionenconcentratie.

Conventionele versus sono-elektrochemische oplossnelheden van Pt-elektroden.
Onderzoek en grafieken: ©Vasile et al., 2021

Industriële voordelen voor metaalwinning

Voor industriële metaalwinning ligt de waarde van sono-elektrowinning in procesintensivering. Er kan mogelijk meer metaal in kortere tijd worden teruggewonnen, met een verbeterde afzettingsmorfologie en een stabielere celwerking, mits het sonicatievermogen, de elektrodegeometrie, de elektrolytsamenstelling en de stroomdichtheid goed op elkaar zijn afgestemd.

In de praktijk ondersteunt sono-elektrowinning:

• Terugwinning uit uitloogvloeistoffen met een laag metaalgehalte: Betere massaoverdracht kan helpen de afzetting in stand te houden wanneer de concentraties van opgeloste metalen niet ideaal zijn.
• Verbeterde kathodekwaliteit: Gladdere en gelijkmatigere afzettingen kunnen de daaropvolgende verwijdering van de afzetting van de kathode, het smelten, het raffineren of de poederverwerking vereenvoudigen.
• Lagere neiging tot vervuiling: Voortdurende oppervlaktevernieuwing kan de invloed van passivering en ongewenste oppervlaktefilms verminderen.
• Compacter procesontwerp: Snellere kinetiek kan kleinere cellen of een hogere verwerkingscapaciteit mogelijk maken, afhankelijk van de proceschemie.
• Verbeterde terugwinning uit secundaire bronnen: Zwarte massa uit batterijen, elektronisch afval, katalysatoren, slakken en industriële residuen leveren vaak complexe uitloogoplossingen op waarbij geïntensiveerde massaoverdracht waardevol is.
• Betere procesbeheersbaarheid: Moderne ultrasone systemen kunnen worden geïntegreerd in batchopstellingen of continue inline opstellingen en worden afgesteld via amplitude, verblijftijd, debiet, temperatuur en energietoevoer.

De sono-elektrosystemen van Hielscher zijn uniek: de sono-elektrode fungeert tegelijkertijd als ultrasone sonde en elektrode. De sono-elektro-opstellingen zijn ontworpen voor schaalbare vloeistofverwerking, van laboratoriumtests tot pilotbedrijf en industriële inline productie. Ultrageluid met hoog vermogen, de mogelijkheid tot 24/7 continubedrijf, robuustheid voor industrieel gebruik en een geringe onderhoudsbehoefte maken de sono-elektrosystemen van Hielscher ideaal voor industriële sono-elektrowinning.
Lineaire opschaling via gecontroleerde parameters zoals amplitude, energietoevoer, debiet, temperatuur en verblijftijd vergemakkelijkt de verhoging van de productiecapaciteit aanzienlijk.

Sono-elektrowinning in de keten van uitloging en elektrowinning

In een conventionele hydrometallurgische installatie vindt elektrowinning vaak plaats na uitloging, scheiding van vaste stoffen en vloeistof, zuivering en soms oplosmiddelextractie of ionenwisseling. Sono-elektrowinning kan in deze latere terugwinningsstap worden geïntegreerd om de omzetting van opgeloste metaalionen in vast metaal te intensiveren.

Een typisch procestraject kan er als volgt uitzien:

1. Gebroken erts, concentraat, residuen van ertsverwerking of secundaire grondstoffen worden uitgeloogd om het doelmetaal op te lossen.
2. Onoplosbaar ganggesteente, resterende vaste stoffen en ongewenste fasen worden verwijderd of verminderd.
3. De metaalrijke uitloogoplossing wordt chemisch aangepast voor selectieve elektrowinning.
4. De elektrolyt wordt toegevoerd aan een elektrowinningcel die is uitgerust met sono-elektroden en circulatie.
5. Sonicatie verbetert het ionentransport en de vernieuwing van het elektrodeoppervlak, terwijl de aangelegde stroom het metaal op de kathode afzet.
6. Het metaalproduct wordt geoogst en de elektrolyt wordt gerecycled of naar een verdere behandeling gestuurd.

Deze combinatie is bijzonder interessant wanneer de metaalwinningsindustrie moeilijker te verwerken bronnen moet benutten. Veel toekomstige grondstoffen hebben lagere metaalgehalten, meer verontreinigingen, fijnere deeltjes, gemengde chemische samenstellingen of een variabele samenstelling. Sono-elektrowinning biedt een manier om de elektrochemische terugwinningsstap robuuster te maken door de interactie tussen de elektrolyt en het elektrodeoppervlak te verbeteren.

Sono-elektrochemische metaalterugwinning: hogere opbrengsten bij lagere proceskosten

Elektrowinning is al een hoeksteen van de hydrometallurgie omdat hiermee metalen uit waterige oplossingen kunnen worden teruggewonnen als hoogwaardige vaste producten. Sono-elektrowinning verbetert conventionele elektro-extractie door de terugwinningsefficiëntie, het stroomrendement en het energieverbruik te verbeteren.
De synergetische effecten van ultrageluid met hoog vermogen en elektrowinning pakken de fysische beperkingen van het elektrochemische grensvlak aan en ondersteunen een intensievere, gecontroleerde en mogelijk efficiëntere metaalterugwinning. Voor mijnbouw-, recycling- en metallurgische activiteiten helpt de technologie de kloof te overbruggen tussen steeds complexere grondstoffen en de behoefte aan schonere, selectievere winningsmethoden met een hogere verwerkingscapaciteit.

Sono-elektrowinning als hulpmiddel voor procesintensivering

De toekomst van metaalwinning zal afhangen van het terugwinnen van meer metaal uit moeilijker te verwerken bronnen. Hoogwaardige ertsen nemen in veel regio’s af, terwijl de vraag naar koper, nikkel, kobalt, metalen die verband houden met lithium, edelmetalen en zeldzame elementen toeneemt. Tegelijkertijd verbreedt de industrie haar aandacht van primaire ertsen naar secundaire bronnen zoals afgedankte batterijen, elektronisch schroot, katalysatoren, industriële residuen en proceswater.
Sono-elektrowinning biedt voor deze situatie een overtuigende strategie voor procesintensivering. Door de selectiviteit van elektrochemische metaalterugwinning te combineren met de kracht van ultrasone cavitatie aan grensvlakken, kan deze techniek de massaoverdracht, elektrodeactiviteit, afzettingsmorfologie en procesrobuustheid verbeteren. Voor industriële exploitanten betekent dit een krachtigere route van uitgeloogde metaalionen naar een terugwinbaar metaalproduct.
Kort gezegd verandert sono-elektrowinning het kathodeoppervlak in een dynamischere reactiezone. Sonicatie houdt het elektrochemische grensvlak actief; elektrochemie zet opgeloste ionen om in metaal; en samen vormen ze een krachtig platform voor moderne hydrometallurgische winning.

Sono-Electro-Probes en SonoElectroReactors met hoge prestaties

Hielscher Ultrasonics is uw partner met jarenlange ervaring op het gebied van ultrasone systemen met hoge prestaties. Wij produceren en distribueren geavanceerde ultrasone sondes en reactoren, die wereldwijd worden gebruikt voor zware toepassingen in veeleisende omgevingen. Voor sono-elektrochemie heeft Hielscher speciale ultrasone sondes ontwikkeld die als kathode en/of anode kunnen fungeren, evenals ultrasone reactorcellen die geschikt zijn voor elektrochemische reacties. Ultrasone elektroden en cellen zijn beschikbaar voor zowel galvanische / voltaïsche als elektrolytische systemen.
 

Neem nu contact met ons op en vertel ons over de eisen van uw elektrochemische proces! Wij adviseren u de meest geschikte ultrasone elektroden en reactoropstelling!
 

Literatuur / referenties

• 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