Extracția metalelor prin son-electrodepozitare în scopuri industriale

Pe măsură ce cererea globală de cupru, nichel, cobalt, zinc, argint, aur, metale rare și materiale necesare pentru baterii continuă să crească, producătorii de metale se află sub presiune pentru a valorifica mai mult minereurile, concentratele, reziduurile, fluxurile reciclate și materiile prime de calitate inferioară. În hidrometalurgie, una dintre cele mai consacrate metode de recuperare a metalelor este electroliza, cunoscută și sub denumirea de electroextracție: ionii metalici dizolvați sunt recuperați dintr-o soluție de leșiere prin aplicarea unui curent electric, care reduce ionii și depune metalul pe un catod.

Extracția electrochimică cu ultrasunete pentru o recuperare hidrometalurgică îmbunătățită a metalelor

Sono-electroobținerea dezvoltă acest principiu prin combinarea electroobținerii cu ultrasunete de intensitate ridicată. Rezultatul este un proces sonoelectrochimic în care cavitația acustică, microstreamingul și reducerea electrochimică acționează împreună. În loc să se bazeze doar pe potențialul electric și pe circulația convențională a electrolitului, sono-electroobținerea introduce o amestecare locală intensă direct la sau în apropierea interfeței electrodului, unde are loc efectiv depunerea metalului. S-a raportat pe scară largă că ultrasunetele îmbunătățesc transportul de masă, perturbează stratul de difuzie, curăță suprafețele electrozilor, îndepărtează bulele de gaz și susțin viteze electrochimice mai mari.

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

De la minereu la catod: Cum funcționează sono-electrodepunerea

Electroobținerea industrială începe, de obicei, cu leșierea. În această etapă inițială, metalul țintă este dizolvat dintr-un minereu, concentrat, reziduu de proces, zgură, masă neagră, deșeuri electronice sau altă materie primă metalurgică într-o soluție apoasă. În funcție de compoziția chimică a metalului și a minereului, agentul de leșiere poate fi acid, alcalin, pe bază de cloruri, pe bază de sulfați, pe bază de cianuri, amoniacal, pe bază de acizi organici sau poate fi adaptat chimic în alt mod pentru a dizolva faza metalică valoroasă.
După procesul de lixiviere, soluția de lixiviere bogată în metale este, de obicei, limpezită, purificată și ajustată în ceea ce privește pH-ul, conductivitatea, temperatura, concentrația de metale și profilul impurităților. În celula de electroliză, acest electrolit care conține metale curge între un anod și un catod. Atunci când se aplică un curent controlat, ionii metalici dizolvați migrează și sunt reduși la suprafața catodului, unde formează un depus metalic solid. În cazul sono-electroobținerii, ultrasunetele sunt introduse în acest mediu electrochimic, astfel încât energia acustică să intensifice transportul ionilor și reînnoirea stratului limită al electrodului.

Pe scurt, secvența procesului este următoarea:

• Lixiviere: Metalele prețioase sunt dizolvate din minereu sau din materii prime secundare într-o soluție.
• Condiționarea soluției: Lichidul de lixiviere este purificat sau ajustat pentru a îmbunătăți selectivitatea și comportamentul de depunere.
• Depunerea sono-electrochimică: Undele ultrasonice și curentul electric acționează simultan în celula de electroliză.
• Recuperarea catodului: Depozitele metalice sunt recoltate sub formă de foi, pulbere, burete, folie sau în alte forme, în funcție de proiectarea procesului.
• Recircularea electrolitului: Electrolitul epuizat poate fi regenerat, reciclat sau reintrodus în circuitul hidrometalurgic.

De ce sonicația îmbunătățește procesul de electroliză

Principalul punct de blocaj în multe sisteme de electroliză nu este doar reacția electrică în sine. Acesta constă în alimentarea suprafeței catodului cu ioni metalici proaspeți, îndepărtarea produselor de reacție și a bulelor de gaz, precum și menținerea unei interfețe a electrodului active, curate și omogene. Ultrasunetele abordează direct aceste limitări.
Atunci când ultrasunetele de mare putere pătrund în electrolit, se produce cavitația acustică: se formează bule microscopice, care oscilează și se prăbușesc. Aceste prăbușiri generează microjeturi, unde de șoc și forțe de forfecare locale intense. În procesarea în fază lichidă, acest fenomen poate duce la amestecare localizată, microamestecare, dispersie, dezaglomerare și transport interfacial accelerat.
Tehnologia ultrasonică și sono-electro a companiei Hielscher se bazează pe cavitația acustică controlată pentru prelucrarea lichidelor, în cadrul căreia undele ultrasonice generează câmpuri de cavitație care produc forțe de forfecare, unde de șoc, microjeturi și un transfer de energie reproductibil în fluide, suspensii și paste.
În procesul de electroliză, aceste efecte sunt deosebit de valoroase, deoarece reacția electrochimică are loc la suprafață. Ultrasunetele pot reduce gradientele de concentrație din apropierea electrodului, pot comprima sau perturba stratul de difuzie și pot aduce continuu ioni metalici proaspeți către catod. Lucrări recente privind transportul de masă electrochimic îmbunătățit prin ultrasunete descriu intensificarea curentului prin comprimarea stratului de difuzie determinată de curenții acustici, în timp ce cercetările privind electrodepunerea asistată de ultrasunete raportează un transport îmbunătățit al ionilor prin cavitație, microflux și efectele presiunii acustice.

Sinergia: sonicație combinată cu electrochimia

Avantajul electroextragerei cu ultrasunete nu constă doar în faptul că ultrasunetele “agită” Soluția. Sonde Hielscher Sono-Electro-Probes combină sonde ultrasonice și electrozi care introduc simultan ultrasunete de intensitate ridicată și curent electric într-un sistem electrochimic. În acest context, cheia o reprezintă cuplarea sinergică a celor 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 o serie de beneficii relevante din punct de vedere industrial:

• Transfer de masă mai ridicat: Sonicarea îmbunătățește aportul de ioni metalici dizolvați către suprafața catodului, reducând epuizarea locală.
• Suprafețe mai curate ale electrozilor: Cavitația și curenții acustici contribuie la îndepărtarea peliculelor de pasivare, a particulelor slab aderente, a bulelor de gaz și a produselor de reacție.
• Potențial îmbunătățit de eficiență a curentului: O interfață a electrodului mai activă poate reduce pierderile asociate cu polarizarea de concentrație și blocarea suprafeței, deși eficiența finală depinde de compoziția chimică a electrolitului și de parametrii de funcționare.
• Depunere mai uniformă: Electrodepunerea asistată de ultrasunete a fost asociată cu depuneri mai netede, mai dense și mai uniforme, precum și cu structuri cu granulație mai fină.
• Cinetica mai rapidă a electrodepunerii: Îmbunătățirea transferului de masă și a activării suprafeței poate permite obținerea unor viteze de depunere mai mari în condiții optimizate.
• Limitări legate de difuzia redusă: Prin perturbarea stratului limită la nivelul electrodului, ultrasunetele pot contribui la o depunere mai uniformă, chiar și atunci când concentrațiile de metal sunt relativ scăzute.
• O gestionare mai eficientă a electroliților complecși: Agitarea cu ultrasunete poate facilita prelucrarea suspensiilor, a particulelor fine și a lichidelor de lixiviere dificile, îmbunătățind dispersia și reducând stagnarea localizată.

Acest lucru face ca electroobținerea sonică să fie deosebit de atractivă pentru circuitele hidrometalurgice în care electroobținerea convențională este limitată de cinetica lentă, morfologia deficitară a depunerilor, polarizarea de concentrație, depunerile pe electrozi, acoperirea cu bule de gaz sau concentrația scăzută a ionilor metalici.

Vitezele de dizolvare convenționale comparativ cu cele sonoelectrochimice ale electrozilor de Pt.
Studiu și grafice: ©Vasile et al., 2021

Avantaje industriale pentru extracția metalelor

În cazul extracției industriale a metalelor, avantajul electroobținerii sonice constă în intensificarea procesului. Se poate recupera, potențial, o cantitate mai mare de metal într-un timp mai scurt, cu o morfologie îmbunătățită a depunerii și o funcționare mai stabilă a celulei, cu condiția ca puterea de sonicare, geometria electrozilor, compoziția electrolitului și densitatea curentului să fie corespunzător adaptate.

Din punct de vedere practic, procesul de electro-extragere cu ultrasunete permite:

• Recuperarea din lichidele de lixiviere cu concentrație redusă: Un transfer de masă mai eficient poate contribui la menținerea depunerii atunci când concentrațiile metalului dizolvat nu sunt ideale.
• Calitatea îmbunătățită a catodului: Depunerile mai fine și mai uniforme pot simplifica etapele ulterioare de decapare, topire, rafinare sau manipularea pulberii.
• Tendință redusă de depunere a depunerilor: Reînnoirea continuă a suprafeței poate reduce impactul pasivării și al peliculelor nedorite de pe suprafață.
• Un design mai compact al procesului: O cinetică mai rapidă poate permite utilizarea unor celule mai mici sau o capacitate de procesare mai mare, în funcție de caracteristicile chimice ale procesului.
• Recuperare îmbunătățită din resurse secundare: Masele negre provenite din baterii, deșeurile electronice, catalizatorii, zgură și reziduurile industriale generează adesea soluții complexe de lixiviere, în care intensificarea transferului de masă este esențială.
• O mai bună controlabilitate a procesului: Sistemele ultrasonice moderne pot fi integrate în configurații de tip „batch” sau în linie continuă și pot fi reglate prin amplitudine, timp de staționare, debit, temperatură și aportul de energie.

Sistemele sono-electro Hielscher sunt unice: sono-electrodul acționează simultan ca sondă ultrasonică și electrod. Configurațiile sono-electro sunt concepute pentru procesarea scalabilă a lichidelor, de la testarea de laborator până la operațiuni pilot și producția industrială în linie. Ultrasunetele de mare putere, capacitatea de funcționare continuă 24/7, robustețea de nivel industrial și întreținerea redusă fac ca sistemele sono-electro Hielscher să fie ideale pentru sono-electro-extragerea industrială.
Scalarea liniară prin intermediul unor parametri controlați, precum amplitudinea, energia de intrare, debitul, temperatura și timpul de staționare, facilitează creșterea semnificativă a capacităților de producție.

Electroobținerea cu ultrasunete în lanțul de proces de lixiviere–electroobținere

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

Un parcurs tipic al procesului ar putea arăta astfel:

1. Minereul concasat, concentratul, reziduurile sau materiile prime secundare sunt supuse unui proces de leșiere pentru a dizolva metalul țintă.
2. Gangua insolubilă, solidele reziduale și fazele nedorite sunt eliminate sau reduse.
3. Soluția de leșie saturată este ajustată chimic pentru electroliza selectivă.
4. Electrolitul este introdus într-o celulă de electroliză echipată cu sono-electrozi și sistem de circulație.
5. Sonicația îmbunătățește transportul ionilor și regenerarea suprafeței electrodului, în timp ce curentul aplicat depune metalul pe catod.
6. Produsul metalic este recuperat, iar electrolitul este reciclat sau trimis spre tratare ulterioară.

Această combinație este deosebit de interesantă în cazul în care industria de extracție a metalelor trebuie să prelucreze resurse mai dificile. Multe materii prime viitoare conțin concentrații mai scăzute de metale, mai multe impurități, particule mai fine, compoziții chimice mixte sau compoziții variabile. Electroobținerea sono-electrochimică oferă o soluție pentru a spori robustețea etapei de recuperare electrochimică prin îmbunătățirea interacțiunii dintre electrolit și suprafața electrodului.

Recuperarea electrochimico-sonică a metalelor: randamente mai mari la costuri de proces mai mici

Electroextragerea reprezintă deja o piatră de temelie a hidrometalurgiei, deoarece permite recuperarea metalelor din soluții apoase sub formă de produse solide de mare valoare. Sono-electroextragerea îmbunătățește electroextragerea convențională prin creșterea eficienței de recuperare, a eficienței curentului și a reducerea consumului de energie.
Efectele sinergice ale ultrasunetelor de putere și ale electrolizei permit depășirea limitărilor fizice ale interfeței electrochimice și favorizează o recuperare a metalelor mai intensă, mai controlată și, potențial, mai eficientă. În cazul operațiunilor miniere, de reciclare și metalurgice, această tehnologie contribuie la reducerea decalajului dintre materiile prime din ce în ce mai complexe și necesitatea unor metode de extracție mai curate, mai selective și cu un randament mai ridicat.

Electroobținerea cu ultrasunete ca instrument de intensificare a procesului

Viitorul extracției metalelor va depinde de recuperarea unei cantități mai mari de metal din resurse mai dificil de exploatat. Rezervele de minereuri cu conținut ridicat sunt în scădere 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 către resurse secundare, precum bateriile uzate, deșeurile electronice, catalizatorii, reziduurile industriale și apele de proces.
Electroobținerea prin ultrasunete oferă o strategie convingătoare de intensificare a procesului în acest context. Prin combinarea selectivității recuperării electrochimice a metalelor cu puterea interfacială a cavitației ultrasonice, aceasta poate îmbunătăți transferul de masă, activitatea electrozilor, morfologia depunerilor și robustețea procesului. Pentru operatorii industriali, aceasta înseamnă o cale mai eficientă de transformare a ionilor metalici lixiviați în produs metalic recuperabil.
Pe scurt, electroextragerea sonică transformă suprafața catodului într-o zonă de reacție mai dinamică. Sonicația menține interfața electrochimică activă; procesul electrochimic transformă ionii dizolvați în metal; iar împreună, acestea creează o platformă puternică pentru extracția hidrometalurgică modernă.

Sonde sono-electrice de înaltă performanță și sono-electro-reactoare

Hielscher Ultrasonics este partenerul tău cu experiență de mult timp pentru sisteme cu ultrasunete de înaltă performanță. Producem și distribuim sonde și reactoare cu ultrasunete de ultimă generație, care sunt utilizate în întreaga lume pentru aplicații grele în medii solicitante. Pentru sonoelectrochimie, Hielscher a dezvoltat sonde speciale cu ultrasunete, care pot acționa ca catod și / sau anod, precum și celule reactor cu ultrasunete potrivite pentru reacții electrochimice. Electrozi cu ultrasunete și celule sunt disponibile pentru galvanic / voltaic, precum și sisteme electrolitice.
 

Contactați-ne acum și spuneți-ne despre cerințele dvs. de proces electrochimic! Vă vom recomanda cei mai potriviți electrozi cu ultrasunete și configurarea reactorului!
 

Literatură / Referințe

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Making precious metals cheap: O metodă sonoelectrochimică – de cavitație hidrodinamică pentru reciclarea metalelor din grupul platinei din catalizatorii auto uzați. Ultrasonics Sonochemistry, volumul 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): Procesul Sono-Hydro-Gen (producerea de hidrogen indusă prin ultrasunete): Provocări și oportunități. International Journal of Hydrogen Energy, volumul 44, numărul 29, 2019, 14500-14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): Un studiu de voltametrie ciclică privind electrodepunerea peliculelor din aliaj de Cu-Zn: efectul duratei tratamentului cu ultrasuneteActa Physica Polonica, vol. 132, 2017, pp. 1087-1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): O introducere în sonoelectrochimie În: „Ultrasunetele de putere în electrochimie: de la instrument de laborator versatil la soluție inginerească”, ediția întâi. Editat de Bruno G. Pollet. 2012, John Wiley & Sons, S.R.L.
• Haas, I.: Gânduri A. (2008): Sinteza nanoparticulelor de magneziu metalic prin sonoelectrochimie. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795-1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri, R. (2014): Sinteza sonoelectrochimică și electrochimică a filmelor de polipirrol pe oțelul St-12 și studiile privind coroziunea și morfologia acestora. Advances in Polymer Technology, vol. 33, nr. 3; 2014.
• Sinteza sono-electrochimică îmbunătățește eficiența în producția chimică