Sono-electroextracție pentru extracția industrială a metalelor

Pe măsură ce cererea globală de cupru, nichel, cobalt, zinc, argint, aur, metale rare și materiale relevante pentru baterii continuă să crească, producătorii de metale sunt sub presiune să recupereze mai multă valoare din minereuri, concentrate, sterile, fluxuri reciclate și materii prime cu conținut scăzut. În hidrometalurgie, una dintre cele mai consacrate căi de recuperare a metalelor este electroextracția, cunoscută și sub denumirea de electrowinning: ionii metalici dizolvați sunt recuperați dintr-o soluție de lixiviere prin aplicarea unui curent electric, care reduce ionii și depune metalul pe un catod.

Sono-electroextracție pentru o recuperare hidrometalurgică îmbunătățită a metalelor

Sono-electroextracția dezvoltă acest principiu prin combinarea electroextracției cu ultrasunete de intensitate ridicată. Rezultatul este un proces sonoelectrochimic în care cavitația acustică, microcurgerea și reducerea electrochimică acționează împreună. În loc să se bazeze doar pe potențialul electric și pe circulația convențională a electrolitului, sono-electroextracția introduce o amestecare locală intensă direct la interfața electrodului sau în apropierea acesteia, acolo unde are loc efectiv depunerea metalului. Ultrasunetele sunt raportate pe scară largă ca intensificând transportul de masă, perturbând stratul de difuzie, curățând suprafețele electrozilor, îndepărtând bulele de gaz și susținând viteze electrochimice mai mari.

Sono-electro-sonde: 2 traductoare ultrasonice agită anodul, respectiv catodul. Sono-electrozii sau sono-electro-sondele acționează simultan ca electrozi și ca sonde ultrasonice pentru o electroextracție îmbunătățită.

De la minereu la catod: cum funcționează sono-electrodepunerea

Electroextracția industrială începe de obicei cu lixivierea. În această etapă din amonte, metalul țintă este dizolvat dintr-un minereu, concentrat, reziduu de proces, zgură, masă neagră (black mass), deșeu electronic sau altă materie primă metalurgică într-o soluție apoasă. În funcție de metal și de chimia minereului, agentul de lixiviere poate fi acid, alcalin, pe bază de cloruri, pe bază de sulfați, pe bază de cianuri, amoniacal, pe bază de acizi organici sau adaptat chimic în alt mod pentru a dizolva faza metalică valoroasă.
După lixiviere, soluția de lixiviere încărcată este de regulă clarificată, purificată și ajustată în privința pH-ului, conductivității, temperaturii, concentrației de metal și profilului de impurități. În celula de electroextracție, acest electrolit purtător de metal curge între un anod și un catod. La aplicarea unui curent controlat, ionii metalici dizolvați migrează și sunt reduși la suprafața catodului, unde formează un depozit metalic solid. În sono-electroextracție, ultrasunetele sunt introduse în acest mediu electrochimic, astfel încât energia acustică intensifică transportul ionilor și reînnoirea stratului limită de la electrod.

În termeni simpli, secvența procesului este următoarea:

• Lixiviere: Metalele valoroase sunt dizolvate din minereu sau din materii prime secundare în soluție.
• Condiționarea soluției: Lichidul de lixiviere este purificat sau ajustat pentru a îmbunătăți selectivitatea și comportamentul la depunere.
• Depunere sono-electrochimică: Ultrasunetele și curentul electric acționează simultan în celula de electroextracție.
• Recuperarea catodică: Depozitele metalice sunt recoltate sub formă de plăci, pulbere, burete, folie sau alte forme de depozit, în funcție de designul procesului.
• Recircularea electrolitului: Electrolitul epuizat poate fi regenerat, reciclat sau returnat în circuitul hidrometalurgic.

De ce sonicarea îmbunătățește electroextracția

Principalul blocaj în multe sisteme de electroextracție nu este doar reacția electrică în sine. Este aprovizionarea suprafeței catodului cu ioni metalici proaspeți, îndepărtarea produșilor de reacție și a bulelor de gaz și menținerea unei interfețe a electrodului active, curate și omogene. Ultrasunetele abordează direct aceste limitări.
Când ultrasunetele de mare putere pătrund în electrolit, ele generează cavitație acustică: se formează bule microscopice, care oscilează și implodează. Aceste implozii generează microjeturi, unde de șoc și forfecare locală intensă. În procesarea în fază lichidă, aceasta poate produce amestecare localizată, micro-amestecare, dispersie, dezaglomerare și transport interfacial accelerat.
Tehnologia ultrasonică și sono-electro de la Hielscher este axată pe cavitația acustică controlată pentru procesarea lichidelor, unde undele ultrasonice generează câmpuri de cavitație care produc forfecare, unde de șoc, microjeturi și un transfer de energie reproductibil în fluide, suspensii și slamuri.
În electroextracție, aceste efecte sunt deosebit de valoroase deoarece reacția electrochimică are loc la o suprafață. Ultrasunetele pot reduce gradienții de concentrație din apropierea electrodului, pot comprima sau perturba stratul de difuzie și pot aduce continuu ioni metalici proaspeți la catod. Lucrări recente privind transportul de masă electrochimic intensificat cu ultrasunete descriu creșterea curentului prin comprimarea stratului de difuzie determinată de curgerea acustică, în timp ce cercetările privind electrodepunerea asistată de ultrasunete raportează un transport îmbunătățit al ionilor prin efecte de cavitație, microcurgere și presiune acustică.

Sinergia: sonicare plus electrochimie

Avantajul sono-electroextracției nu constă doar în faptul că ultrasunetele „agită” soluția. Sono-Electro-Probes de la Hielscher combină sonde ultrasonice și electrozi care introduc simultan ultrasunete de intensitate ridicată și curent electric într-un sistem electrochimic. Aici, cheia este cuplarea sinergică a două câmpuri energetice: energia electrică determină reacția de reducere a ionilor metalici, în timp ce energia acustică îmbunătățește condițiile fizice și interfaciale în care are loc această reacție.
Această sinergie poate genera mai multe beneficii relevante industrial:

• Transfer de masă mai ridicat: Sonicarea îmbunătățește aprovizionarea suprafeței catodului cu ioni metalici dizolvați, reducând epuizarea locală.
• Suprafețe ale electrozilor mai curate: Cavitația și curgerea acustică ajută la îndepărtarea filmelor de pasivare, a particulelor slab aderente, a bulelor de gaz și a produșilor de reacție.
• Potențial îmbunătățit al randamentului de curent: O interfață a electrodului mai activă poate reduce pierderile asociate cu polarizarea de concentrație și blocarea suprafeței, deși randamentul final depinde de chimia electrolitului și de parametrii de operare.
• Depunere mai uniformă: Electrodepunerea asistată de ultrasunete a fost asociată cu depozite mai netede, mai dense, mai uniforme și cu structuri de granulație mai fine.
• Cinetică de electrodepunere mai rapidă: Transferul de masă intensificat și activarea suprafeței pot permite viteze de depunere mai mari în condiții optimizate.
• Limitări de difuzie reduse: Prin perturbarea stratului limită de la electrod, ultrasunetele pot susține o depunere mai constantă chiar și atunci când concentrațiile de metal sunt relativ scăzute.
• Gestionare mai bună a electroliților complecși: Agitarea ultrasonică poate susține procesarea suspensiilor, a particulelor fine și a lichidelor de lixiviere dificile prin îmbunătățirea dispersiei și reducerea stagnării localizate.

Acest lucru face sono-electroextracția deosebit de atractivă pentru circuitele hidrometalurgice în care electroextracția convențională este limitată de cinetica lentă, morfologia slabă a depozitului, polarizarea de concentrație, încrustarea electrozilor, acoperirea cu bule de gaz sau concentrația scăzută de ioni metalici.

Viteze de dizolvare convenționale vs. sonoelectrochimice ale electrozilor de Pt.
Studiu și grafice: ©Vasile et al., 2021

Beneficii industriale pentru extracția metalelor

Pentru extracția industrială a metalelor, valoarea sono-electroextracției constă în intensificarea procesului. Se poate recupera potențial mai mult metal într-un timp mai scurt, cu o morfologie îmbunătățită a depozitului și o funcționare mai stabilă a celulei, cu condiția ca puterea de sonicare, geometria electrodului, compoziția electrolitului și densitatea de curent să fie corect corelate.

În termeni practici, sono-electroextracția susține:

• Recuperarea din lichide de lixiviere cu conținut scăzut: Un transfer de masă mai bun poate ajuta la menținerea depunerii atunci când concentrațiile de metal dizolvat nu sunt ideale.
• Calitate îmbunătățită a catodului: Depozitele mai netede și mai uniforme pot simplifica operațiunile din aval de desprindere (stripping), topire, rafinare sau manipulare a pulberilor.
• Tendință redusă de încrustare: Reînnoirea continuă a suprafeței poate reduce impactul pasivării și al filmelor superficiale nedorite.
• Design de proces mai compact: Cinetica mai rapidă poate permite celule mai mici sau o capacitate de procesare mai mare, în funcție de chimia procesului.
• Recuperare îmbunătățită din resurse secundare: Masa neagră (black mass) din baterii, deșeurile electronice, catalizatorii, zgurile și reziduurile industriale generează adesea soluții de lixiviere complexe, în care un transfer de masă intensificat este valoros.
• Controlabilitate mai bună a procesului: Sistemele ultrasonice moderne pot fi integrate în configurații discontinue (batch) sau continue inline și reglate prin amplitudine, timp de rezidență, debit, temperatură și aport de energie.

Sistemele sono-electro Hielscher sunt unice: sono-electrodul acționează simultan ca sondă ultrasonică și ca electrod. Configurațiile sono-electro sunt concepute pentru procesarea scalabilă a lichidelor, de la testele de laborator la operarea pilot și producția industrială inline. Ultrasunetele de mare putere, capacitatea de funcționare continuă 24/7, robustețea de nivel industrial și întreținerea redusă fac din sistemele sono-electro Hielscher soluția ideală pentru sono-electroextracția industrială.
Scalarea liniară prin parametri controlați precum amplitudinea, aportul de energie, debitul, temperatura și timpul de rezidență facilitează creșterea semnificativă a capacităților de producție.

Sono-electroextracția în lanțul lixiviere–electroextracție

Într-o instalație hidrometalurgică convențională, electroextracția este adesea poziționată după lixiviere, separarea solid-lichid, purificare și uneori extracția cu solvenți sau schimbul ionic. Sono-electroextracția poate fi integrată în această etapă de recuperare din aval pentru a intensifica conversia ionilor metalici dizolvați în metal solid.

Un traseu tipic al procesului poate arăta astfel:

1. Minereul concasat, concentratul, sterilul sau materia primă secundară sunt lixiviate pentru a dizolva metalul țintă.
2. Ganga insolubilă, solidele reziduale și fazele nedorite sunt îndepărtate sau reduse.
3. Soluția de lixiviere încărcată este ajustată chimic pentru o electroextracție selectivă.
4. Electrolitul este alimentat într-o celulă de electroextracție echipată cu sono-electrozi și circulație.
5. Sonicarea îmbunătățește transportul ionilor și reînnoirea suprafeței electrodului, în timp ce curentul aplicat depune metalul pe catod.
6. Produsul metalic este recoltat, iar electrolitul este reciclat sau trimis la tratare ulterioară.

Această combinație este deosebit de interesantă acolo unde industria de extracție a metalelor trebuie să proceseze resurse mai dificile. Multe materii prime viitoare au conținuturi de metal mai scăzute, mai multe impurități, particule mai fine, chimii mixte sau compoziție variabilă. Sono-electroextracția oferă o cale de a face etapa de recuperare electrochimică mai robustă prin îmbunătățirea interacțiunii dintre electrolit și suprafața electrodului.

Recuperarea sono-electrochimică a metalelor: randamente mai mari la costuri de proces mai mici

Electroextracția este deja o piatră de temelie a hidrometalurgiei, deoarece poate recupera metale din soluții apoase sub formă de produse solide de valoare ridicată. Sono-electroextracția îmbunătățește electroextracția convențională prin îmbunătățirea eficienței de recuperare, a randamentului de curent și a consumului de energie.
Efectele sinergice ale ultrasunetelor de putere și ale electroextracției abordează limitările fizice ale interfeței electrochimice și susțin o recuperare a metalelor mai intensivă, controlată și potențial mai eficientă. Pentru operațiunile miniere, de reciclare și metalurgice, tehnologia ajută la reducerea decalajului dintre materiile prime tot mai complexe și nevoia de căi de extracție mai curate, mai selective și cu capacitate de procesare mai mare.

Sono-electroextracția ca instrument de intensificare a proceselor

Viitorul extracției metalelor va depinde de recuperarea a mai mult metal din resurse mai dificile. Minereurile cu conținut ridicat sunt în declin în multe regiuni, în timp ce cererea de cupru, nichel, cobalt, metale legate de litiu, metale prețioase și elemente rare este în creștere. În același timp, industria își extinde atenția de la minereurile primare la resurse secundare precum bateriile uzate, deșeurile electronice, catalizatorii, reziduurile industriale și apele de proces.
Sono-electroextracția oferă o strategie convingătoare de intensificare a proceselor în acest context. Prin combinarea selectivității recuperării electrochimice a metalelor cu puterea interfacială a cavitației ultrasonice, aceasta poate îmbunătăți transferul de masă, activitatea electrodului, morfologia depozitului și robustețea procesului. Pentru operatorii industriali, aceasta înseamnă o cale mai solidă de la ionii metalici lixiviați la produsul metalic recuperabil.
Pe scurt, sono-electroextracția transformă suprafața catodului într-o zonă de reacție mai dinamică. Sonicarea menține activă interfața electrochimică; electrochimia transformă ionii dizolvați în metal; iar împreună creează o platformă puternică pentru extracția hidrometalurgică modernă.

Sono-Electro-Probes și SonoElectroReactors de înaltă performanță

Hielscher Ultrasonics este partenerul dumneavoastră experimentat de lungă durată pentru sisteme ultrasonice de înaltă performanță. Fabricăm și distribuim sonde și reactoare ultrasonice de ultimă generație, care sunt utilizate în întreaga lume pentru aplicații de mare solicitare în medii exigente. Pentru sonoelectrochimie, Hielscher a dezvoltat sonde ultrasonice speciale, care pot acționa ca catod și/sau anod, precum și celule de reactor ultrasonice adecvate pentru reacții electrochimice. Electrozii și celulele ultrasonice sunt disponibili pentru sisteme galvanice / voltaice, precum și pentru sisteme electrolitice.

Contactați-ne acum și spuneți-ne care sunt cerințele procesului dumneavoastră electrochimic! Vă vom recomanda cei mai potriviți electrozi ultrasonici și cea mai potrivită configurație de reactor!
 

Literatură / Referințe

• 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