Sono-elektro-winning voor industriële metaalwinning

Naarmate de wereldwijde vraag naar koper, nikkel, kobalt, zink, zilver, goud, zeldzame metalen en batterijgerelateerde materialen blijft stijgen, staan metaalproducenten onder druk om meer waarde te halen uit ertsen, concentraten, residuen, gerecyclede stromen en laagwaardige grondstoffen. In de hydrometallurgie is elektrowinning, ook wel elektro-extractie genoemd, een van de meest gangbare methoden voor metaalterugwinning: opgeloste metaalionen worden uit een uitloogoplossing teruggewonnen door een elektrische stroom toe te passen, waardoor de ionen worden gereduceerd en het metaal zich op een kathode afzet.

Sono-elektro-winning voor een verbeterde hydrometallurgische metaalterugwinning

Sono-elektrowinning bouwt voort op dit principe door elektrowinning te combineren met ultrasone golven van hoge intensiteit. Het resultaat is een sono-elektrochemisch proces waarin akoestische cavitatie, microstreaming en elektrochemische reductie samenwerken. In plaats van uitsluitend te vertrouwen op elektrische potentiaal en conventionele elektrolytcirculatie, zorgt sono-elektrowinning voor intense lokale menging direct op of nabij het elektrode-grensvlak, waar de metaalafzetting daadwerkelijk plaatsvindt. Er wordt algemeen gemeld dat ultrasone golven het massatransport bevorderen, de diffusielaag verstoren, elektrodeoppervlakken reinigen, gasbellen verwijderen en hogere elektrochemische snelheden ondersteunen.

Sono-elektro-sondes: twee ultrasone transducers brengen respectievelijk de anode en de kathode in beweging. De sono-elektroden of sono-elektro-sondes fungeren tegelijkertijd als elektroden en als ultrasone sondes voor een verbeterde elektrolytische winning.

Van erts tot kathode: hoe sono-elektrodepositie werkt

Industriële elektrolytische winning begint doorgaans met uitloging. In deze eerste stap wordt het doelmetaal uit erts, concentraat, procesresidu, slakken, zwarte massa, elektronisch afval of andere metallurgische grondstoffen opgelost in een waterige oplossing. Afhankelijk van de chemische samenstelling van het metaal en het erts kan het uitloogmiddel zuur, alkalisch, op chloride, sulfaat of cyanide gebaseerd, ammoniakhoudend of op organische zuren gebaseerd zijn, of op een andere manier chemisch zijn afgestemd om de waardevolle metaalfase op te lossen.
Na het uitlogen wordt de metaalrijke uitloogoplossing doorgaans geklaard, gezuiverd en aangepast wat betreft pH, geleidbaarheid, temperatuur, metaalconcentratie en onzuiverhedenprofiel. In de elektrolysecel stroomt deze metaalhoudende elektrolyt tussen een anode en een kathode. Wanneer er een geregelde stroom wordt aangelegd, migreren de opgeloste metaalionen en worden ze aan het kathodeoppervlak gereduceerd, waar ze een vaste metaalafzetting vormen. Bij sono-elektrolyse wordt ultrasone golven in deze elektrochemische omgeving ingebracht, zodat de akoestische energie het transport van ionen en de vernieuwing van de grenslaag van de elektrode versterkt.

Eenvoudig gezegd verloopt het proces als volgt:

• Uitloging: Edelmetalen worden uit erts of secundaire grondstoffen opgelost in een oplossing.
• Behandeling van de oplossing: De uitloogvloeistof wordt gezuiverd of aangepast om de selectiviteit en het afzettingsgedrag te verbeteren.
• Sono-elektrochemische afzetting: In de elektrolysecel werken ultrasone golven en elektrische stroom gelijktijdig in.
• Terugwinning van kathodes: Metaalafzettingen worden, afhankelijk van het procesontwerp, gewonnen in de vorm van platen, poeder, spons, folie of andere vormen.
• Recirculatie van elektrolyt: De verbruikte elektrolyt kan worden geregenereerd, gerecycled of teruggevoerd naar het hydrometallurgische circuit.

Waarom ultrasone behandeling het elektrolytisch winnen verbetert

Het belangrijkste knelpunt in veel elektrolytische winningssystemen is niet alleen de elektrische reactie zelf. Het betreft ook de toevoer van verse metaalionen naar het kathodeoppervlak, de afvoer van reactieproducten en gasbellen, en het behoud van een actief, schoon en homogeen elektrode-oppervlak. Ultrasoon geluid pakt deze beperkingen rechtstreeks aan.
Wanneer krachtige ultrasone golven in de elektrolyt terechtkomen, ontstaat er akoestische cavitatie: er vormen zich microscopisch kleine belletjes die trillen en vervolgens instorten. Door dit instorten ontstaan microjets, schokgolven en intense lokale afschuiving. Bij verwerking in vloeibare fase kan dit leiden tot plaatselijke menging, micromenging, dispersie, deagglomeratie en versneld transport aan het grensvlak.
De ultrasone en sono-elektrotechnologie van Hielscher is gebaseerd op gecontroleerde akoestische cavitatie voor de verwerking van vloeistoffen, waarbij ultrasone golven cavitatievelden opwekken die schuifkrachten, schokgolven, microstralen en een reproduceerbare energieoverdracht in vloeistoffen, suspensies en slurries teweegbrengen.
Bij elektrolytische winning zijn deze effecten bijzonder waardevol, omdat de elektrochemische reactie plaatsvindt aan een oppervlak. Ultrasoon geluid kan concentratiegradiënten in de buurt van de elektrode verminderen, de diffusielaag samenpersen of verstoren, en voortdurend nieuwe metaalionen naar de kathode brengen. Recent onderzoek naar door ultrasone golven versterkt elektrochemisch massatransport beschrijft een toename van de stroomsterkte door compressie van de diffusielaag als gevolg van akoestische stroming, terwijl onderzoek naar ultrasone elektrodepositie melding maakt van verbeterd ionentransport door cavitatie, microstroming en akoestische drukeffecten.

De synergie: ultrasone behandeling in combinatie met elektrochemie

Het voordeel van sono-elektrowinning is niet alleen dat ultrasone golven “roert” De oplossing. De Sono-Electro-Probes van Hielscher combineren ultrasone sondes en elektroden die tegelijkertijd ultrasone golven met hoge intensiteit en elektrische stroom in een elektrochemisch systeem brengen. De sleutel hiertoe is de synergetische koppeling van twee energievelden: elektrische energie drijft de reductiereactie van metaalionen aan, terwijl akoestische energie de fysische en grensvlakomstandigheden verbetert waaronder die reactie plaatsvindt.
Deze synergie kan verschillende voordelen opleveren die voor de industrie van belang zijn:

• Grotere massaoverdracht: Door ultrasone behandeling wordt de toevoer van opgeloste metaalionen naar het kathodeoppervlak verbeterd, waardoor lokale uitputting wordt verminderd.
• Schonere elektrodeoppervlakken: Cavitatie en akoestische stroming helpen bij het verwijderen van passiveringslagen, loszittende deeltjes, gasbellen en reactieproducten.
• Potentieel voor verbeterde stroomrendement: Een actievere elektrode-interface kan verliezen als gevolg van concentratiepolarisatie en oppervlakteverstopping verminderen, hoewel het uiteindelijke rendement afhangt van de chemische samenstelling van de elektrolyt en de bedrijfsparameters.
• Een gelijkmatigere afzetting: Elektrodepositie met behulp van ultrasone golven wordt in verband gebracht met gladdere, dichtere en gelijkmatigere afzettingen en fijnere korrelstructuren.
• Snellere kinetica bij elektrodepositie: Door een verbeterde massaoverdracht en oppervlakteactivering kunnen onder geoptimaliseerde omstandigheden hogere afzettingssnelheden worden bereikt.
• Beperkingen bij verminderde diffusie: Door de grenslaag bij de elektrode te verstoren, kan ultrasoon geluid zorgen voor een gelijkmatigere afzetting, zelfs wanneer de metaalconcentraties relatief laag zijn.
• Betere verwerking van complexe elektrolyten: Ultrasone roering kan de verwerking van suspensies, fijne deeltjes en moeilijk te verwerken uitloogvloeistoffen ondersteunen door de verspreiding te verbeteren en plaatselijke stagnatie te verminderen.

Dit maakt sono-elektro-winning bijzonder aantrekkelijk voor hydrometallurgische processen waarin conventionele elektro-winning wordt beperkt door trage kinetica, een slechte morfologie van de afzetting, concentratiepolarisatie, vervuiling van de elektroden, bedekking door gasbellen of een lage metaalionenconcentratie.

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

Industriële voordelen voor de metaalwinning

Voor de industriële winning van metalen ligt de meerwaarde van sono-elektrowinning in de procesintensivering. Er kan in theorie meer metaal in kortere tijd worden teruggewonnen, met een verbeterde morfologie van de afzetting en een stabielere werking van de cel, mits het ultrasone vermogen, de geometrie van de elektroden, de samenstelling van de elektrolyt en de stroomdichtheid goed op elkaar zijn afgestemd.

In de praktijk draagt sono-elektrowinning bij aan:

• Terugwinning uit laagwaardige uitloogvloeistoffen: Een betere massaoverdracht kan helpen om de afzetting op peil te houden wanneer de concentraties van opgeloste metalen niet optimaal zijn.
• Verbeterde kwaliteit van de kathode: Gladdere en gelijkmatigere afzettingen kunnen de daaropvolgende bewerkingen, zoals het afstrippen, smelten, raffineren of de verwerking van poeder, vereenvoudigen.
• Minder neiging tot vervuiling: Door het oppervlak voortdurend te vernieuwen, kunnen de gevolgen van passivering en ongewenste oppervlaktefilms worden beperkt.
• Compacter procesontwerp: Een snellere kinetiek kan, afhankelijk van de proceschemie, kleinere cellen of een hogere doorvoercapaciteit mogelijk maken.
• Verbeterde terugwinning uit secundaire bronnen: Zwarte massa uit batterijen, elektronisch afval, katalysatoren, slakken en industriële reststoffen leiden vaak tot complexe uitloogoplossingen waarbij een intensievere massaoverdracht van groot belang is.
• Betere procesbeheersbaarheid: Moderne ultrasone systemen kunnen worden geïntegreerd in batch- of continue inline-opstellingen en worden afgestemd op basis van amplitude, verblijftijd, debiet, temperatuur en energie-input.

De sono-elektro-systemen van Hielscher zijn uniek: de sono-elektrode fungeert tegelijkertijd als ultrasone sonde en als elektrode. De sono-elektro-opstellingen zijn ontworpen voor schaalbare vloeistofverwerking, van laboratoriumtests tot proefopstellingen en industriële inline-productie. Krachtige ultrasone trillingen, de mogelijkheid tot 24/7 continu bedrijf, robuustheid van industriële kwaliteit en weinig onderhoud maken de sono-elektro-systemen van Hielscher ideaal voor industriële sono-elektrowinning.
Lineaire opschaling door middel van geregelde parameters zoals amplitude, energie-inbreng, debiet, temperatuur en verblijftijd maakt een aanzienlijke uitbreiding van de productiecapaciteit mogelijk.

Sono-elektro-winning in de uitloog-elektro-winningketen

In een conventionele hydrometallurgische installatie vindt elektrolytische winning vaak plaats na het uitlogen, de scheiding van vaste stoffen en vloeistoffen, de zuivering en soms na oplosmiddelextractie of ionenuitwisseling. Sono-elektrolytische winning kan in deze stroomafwaartse terugwinningsstap worden geïntegreerd om de omzetting van opgeloste metaalionen in vast metaal te intensiveren.

Een typisch procesverloop zou er als volgt uit kunnen zien:

1. Vermalen erts, concentraat, residuen of secundaire grondstoffen worden uitgeloogd om het doelmetaal op te lossen.
2. Onoplosbare ganggesteente, resterende vaste stoffen en ongewenste fasen worden verwijderd of tot een minimum beperkt.
3. De verzadigde leach-oplossing wordt chemisch aangepast voor selectieve elektro-extractie.
4. De elektrolyt wordt toegevoerd aan een elektrolytische cel die is uitgerust met sono-elektroden en een circulatiesysteem.
5. Ultrasone behandeling bevordert het ionentransport en de vernieuwing van het elektrodeoppervlak, terwijl de aangelegde stroom ervoor zorgt dat het metaal op de kathode wordt afgezet.
6. Het metaalproduct wordt gewonnen en de elektrolyt wordt gerecycled of doorgestuurd voor verdere verwerking.

Deze combinatie is met name interessant wanneer de metaalextractie-industrie te maken krijgt met moeilijker te verwerken grondstoffen. Veel toekomstige grondstoffen bevatten lagere metaalgehaltes, meer onzuiverheden, fijnere deeltjes, gemengde chemische samenstellingen of een variabele samenstelling. Sono-elektro-winning 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 tegen lagere proceskosten

Elektro-winning vormt nu al een hoeksteen van de hydrometallurgie, omdat hiermee metalen uit waterige oplossingen kunnen worden teruggewonnen in de vorm van hoogwaardige vaste producten. Sono-elektro-winning is een verbetering ten opzichte van conventionele elektro-extractie door een hogere terugwinningsrendement, stroomrendement en een lager energieverbruik.
De synergetische effecten van krachtige ultrasone golven en elektrolytische winning ondervangen de fysische beperkingen van het elektrochemische grensvlak en maken een intensievere, gecontroleerde en potentieel efficiëntere metaalterugwinning mogelijk. Voor mijnbouw-, recycling- en metallurgische activiteiten helpt deze technologie de kloof te overbruggen tussen steeds complexere grondstoffen en de behoefte aan schonere, selectievere extractiemethoden met een hogere doorvoercapaciteit.

Sono-elektro-winning als middel voor procesintensivering

De toekomst van de metaalwinning zal afhangen van het terugwinnen van meer metaal uit moeilijker te exploiteren grondstoffen. In veel regio's nemen de voorraden hoogwaardig erts af, terwijl de vraag naar koper, nikkel, kobalt, lithiumgerelateerde metalen, edelmetalen en zeldzame elementen toeneemt. Tegelijkertijd verlegt de industrie haar focus van primaire ertsen naar secundaire grondstoffen, zoals gebruikte batterijen, elektronisch afval, katalysatoren, industriële reststoffen en proceswater.
Sono-elektrowinning biedt een veelbelovende strategie voor procesintensivering in deze context. Door de selectiviteit van elektrochemische metaalterugwinning te combineren met de grensvlakwerking van ultrasone cavitatie, kan het de massaoverdracht, de elektrodeactiviteit, de morfologie van de afzettingen en de robuustheid van het proces verbeteren. Voor industriële exploitanten betekent dit een effectievere route van uitgeloogde metaalionen naar terugwinbaar metaalproduct.
Kortom, sono-electrowinning maakt van het kathodeoppervlak een dynamischer reactiezone. Door ultrasone behandeling blijft het elektrochemische grensvlak actief; de elektrochemie zet opgeloste ionen om in metaal; en samen vormen ze een krachtig platform voor moderne hydrometallurgische winning.

Hoogwaardige sono-elektrische sondes en sono-elektrische reactoren

Hielscher Ultrasonics is uw ervaren partner voor hoogwaardige ultrasone systemen. Wij produceren en distribueren ultramoderne 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 uw vereisten voor elektrochemische processen! Wij zullen u de meest geschikte ultrasone elektroden en reactoropstelling aanbevelen!
 

Literatuur / Referenties

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Edelmetalen goedkoop maken: Een sono-elektrochemische – hydrodynamische cavitatiemethode voor het terugwinnen van platinagroepmetalen uit gebruikte autokatalysatoren. Ultrasonics Sonochemistry, jaargang 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): Het Sono-Hydro-Gen-proces (door ultrageluid geïnduceerde waterstofproductie): Uitdagingen en kansen. International Journal of Hydrogen Energy, jaargang 44, nummer 29, 2019, 14500-14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): Een onderzoek met cyclische voltammetrie naar de elektrodepositie van Cu-Zn-legeringsfilms: invloed van de ultrasone behandelingsduurActa Physica Polonica, jaargang 132, 2017. 1087-1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): Een inleiding tot de sono-elektrochemie In: Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution, eerste druk. Onder redactie van Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, Ltd.
• Haas, I.: Gedachten A. (2008): Synthese van nanodeeltjes van metallisch magnesium door middel van sono-elektrochemie. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795-1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri, R. (2014): Sono-elektrochemische en elektrochemische synthese van polypyrroolfilms op St-12-staal en onderzoek naar de corrosie en morfologie daarvan. Advances in Polymer Technology, jaargang 33, nummer 3; 2014.
• Sono-elektrochemische synthese verbetert efficiëntie in chemische productie