Звуково-электролизный метод для промышленной добычи металлов

Поскольку мировой спрос на медь, никель, кобальт, цинк, серебро, золото, редкие металлы и материалы, используемые в производстве аккумуляторов, продолжает расти, производители металлов сталкиваются с необходимостью извлекать больше ценности из руд, концентратов, хвостов, вторичного сырья и низкосортного сырья. В гидрометаллургии одним из наиболее распространенных способов извлечения металлов является электролиз, также известный как электроэкстракция: ионы растворенного металла извлекаются из раствора выщелачивания путем пропускания электрического тока, который восстанавливает ионы и осаждает металл на катоде.

Звуково-электролизный метод для повышения эффективности гидрометаллургического извлечения металлов

Соноэлектролиз развивает этот принцип, сочетая электролиз с высокоинтенсивным ультразвуком. В результате получается соноэлектрохимический процесс, в котором совместно действуют акустическая кавитация, микропотоки и электрохимическое восстановление. Вместо того чтобы полагаться исключительно на электрический потенциал и традиционную циркуляцию электролита, соноэлектролиз обеспечивает интенсивное локальное перемешивание непосредственно на границе раздела электродов или вблизи неё, где фактически происходит осаждение металла. Согласно многочисленным данным, ультразвук усиливает массоперенос, нарушает диффузионный слой, очищает поверхности электродов, удаляет пузырьки газа и способствует повышению скорости электрохимических реакций.

Ультразвуковые электроды: 2 ультразвуковых преобразователя возбуждают анод и катод соответственно. Ультразвуковые электроды одновременно выполняют функции электродов и ультразвуковых датчиков, что способствует повышению эффективности электролизного извлечения.

От руды до катода: как работает ультразвуковое электроосаждение

Промышленное электролитное извлечение металла обычно начинается с выщелачивания. На этом начальном этапе целевой металл растворяется из руды, концентрата, технологических отходов, шлака, черной массы, электронных отходов или другого металлургического сырья в водном растворе. В зависимости от химического состава металла и руды выщелачивающий раствор может быть кислым, щелочным, на основе хлоридов, сульфатов, цианидов, аммиака, органических кислот или иным образом химически адаптированным для растворения фазы ценного металла.
После выщелачивания насыщенный выщелачивающий раствор, как правило, осветляют, очищают и регулируют по показателям pH, проводимости, температуры, концентрации металла и состава примесей. В электролизной ячейке этот содержащий металл электролит протекает между анодом и катодом. При подаче регулируемого тока растворённые ионы металла мигрируют и восстанавливаются на поверхности катода, где образуют твёрдый металлический осадок. При ультразвуковом электролизе в эту электрохимическую среду подаётся ультразвук, благодаря чему акустическая энергия усиливает перенос ионов и обновление пограничного слоя электродов.

Проще говоря, последовательность процессов выглядит следующим образом:

• Выщелачивание: Драгоценные металлы выщелачиваются из руды или вторичного сырья в раствор.
• Подготовка раствора: Выщелочивающий раствор очищают или корректируют с целью повышения селективности и улучшения характеристик осаждения.
• Соноэлектрохимическое осаждение: В ячейке электролизного получения ультразвук и электрический ток действуют одновременно.
• Восстановление катода: Металлические осадки извлекаются в виде листов, порошка, губки, фольги или в других формах, в зависимости от технологии производства.
• Рециркуляция электролита: Отработанный электролит можно регенерировать, переработать или вернуть в гидрометаллургический контур.

Почему ультразвуковая обработка повышает эффективность электролизного извлечения

Основным узким местом во многих системах электролизного получения металла является не только сама электрохимическая реакция. Речь идет о поступлении свежих ионов металла к поверхности катода, удалении продуктов реакции и пузырьков газа, а также поддержании активной, чистой и однородной поверхности электрода. Ультразвук позволяет напрямую устранить эти ограничения.
Когда ультразвук высокой мощности попадает в электролит, возникает акустическая кавитация: образуются микроскопические пузырьки, которые колеблются и разрушаются. При их разрушении возникают микроструи, ударные волны и интенсивные локальные сдвиговые нагрузки. При обработке в жидкой фазе это может приводить к локальному перемешиванию, микроперемешиванию, диспергированию, деагломерации и ускорению межфазного переноса.
Ультразвуковая и соноэлектротехнология компании Hielscher основана на контролируемой акустической кавитации для обработки жидкостей, при которой ультразвуковые волны создают кавитационные поля, генерирующие сдвиговые и ударные волны, микроструи, а также обеспечивающие воспроизводимую передачу энергии в жидкости, суспензии и шламы.
В процессе электролизного получения металлов эти эффекты особенно ценны, поскольку электрохимическая реакция протекает на поверхности. Ультразвук способен снижать градиенты концентрации вблизи электрода, сжимать или разрушать диффузионный слой, а также непрерывно доставлять свежие ионы металла к катоду. В недавних работах, посвящённых ультразвуковому усилению электрохимического массопереноса, описывается усиление тока за счёт сжатия диффузионного слоя под действием акустического потока, в то время как в исследованиях по ультразвуковому электроосаждению отмечается улучшение переноса ионов за счёт эффектов кавитации, микропотоков и акустического давления.

Синергия: ультразвуковая обработка в сочетании с электрохимией

Преимущество соноэлектролизного метода заключается не только в том, что ультразвук “перемешивает” Решение. Устройства Hielscher Sono-Electro-Probes сочетают в себе ультразвуковые датчики и электроды, которые одновременно подают в электрохимическую систему высокоинтенсивный ультразвук и электрический ток. При этом ключевую роль играет синергетическое взаимодействие двух энергетических полей: электрическая энергия стимулирует реакцию восстановления ионов металла, а акустическая энергия улучшает физические и межфазные условия, в которых протекает эта реакция.
Такая синергия может принести ряд преимуществ, имеющих практическое значение для промышленности:

• Более интенсивный массообмен: Ультразвуковая обработка улучшает поступление растворенных ионов металла к поверхности катода, снижая локальное истощение.
• Более чистые поверхности электродов: Кавитация и акустическая течения способствуют удалению пассивирующих плёнок, слабо прикреплённых частиц, пузырьков газа и продуктов реакции.
• Потенциал повышения эффективности использования тока: Более активный электродный интерфейс может снизить потери, связанные с концентрационной поляризацией и закупоркой поверхности, хотя конечный КПД зависит от химического состава электролита и рабочих параметров.
• Более равномерное нанесение: Ультразвуковое электроосаждение позволяет получать более гладкие, плотные и однородные осадки, а также более мелкозернистую структуру.
• Более быстрая кинетика электроосаждения: Усиление массопереноса и активация поверхности могут обеспечить более высокую скорость осаждения в оптимизированных условиях.
• Ограничения, связанные с пониженной диффузией: Воздействуя на пограничный слой у электрода, ультразвук способствует более равномерному осаждению даже при относительно низких концентрациях металла.
• Более эффективная обработка сложных электролитов: Ультразвуковая перемешивание может способствовать обработке суспензий, мелких частиц и трудноперерабатываемых выщелачивающих растворов за счет улучшения дисперсии и уменьшения локальных зон застоя.

Благодаря этому соноэлектролиз представляет особый интерес для гидрометаллургических технологических циклов, в которых применение традиционного электролиза ограничивается низкой скоростью реакции, неблагоприятной морфологией осадка, концентрационной поляризацией, загрязнением электродов, покрытием пузырьками газа или низкой концентрацией ионов металла.

Скорости растворения на Pt-электродах: традиционный метод и соноэлектрохимический метод.
Исследование и графики: ©Vasile и др., 2021

Преимущества промышленного применения для добычи металлов

В промышленной добыче металлов ценность соноэлектролизного метода заключается в интенсификации процесса. При правильном подборе мощности ультразвукового воздействия, геометрии электродов, состава электролита и плотности тока можно потенциально извлечь больше металла за более короткий срок, обеспечив при этом улучшенную морфологию осадка и более стабильную работу ячейки.

На практике метод соноэлектролизного извлечения способствует:

• Извлечение из слабоконцентрированных выщелачивающих растворов: Улучшение массообмена может способствовать поддержанию осаждения даже при неидеальных концентрациях растворенного металла.
• Повышение качества катода: Более гладкие и однородные отложения могут упростить последующие этапы: удаление покрытия, плавку, рафинирование или обработку порошка.
• Меньшая склонность к образованию накипи: Постоянное обновление поверхности позволяет снизить влияние пассивации и образования нежелательных поверхностных плёнок.
• Более компактная конструкция технологического процесса: Более быстрая кинетика может обеспечить использование клеток меньшего размера или более высокую пропускную способность, в зависимости от химических особенностей процесса.
• Повышение эффективности добычи из вторичных источников: При переработке черной массы аккумуляторов, электронных отходов, катализаторов, шлаков и промышленных остатков часто образуются сложные растворы выщелачивания, при обработке которых целесообразно усилить массообмен.
• Повышенная управляемость процессом: Современные ультразвуковые системы могут быть интегрированы в установки периодического или непрерывного действия и настраиваться с помощью таких параметров, как амплитуда, время пребывания, расход, температура и подаваемая энергия.

Ультразвуко-электрические системы Hielscher обладают уникальными характеристиками: ультразвуко-электрод одновременно выполняет функции ультразвукового датчика и электрода. Ультразвуко-электрические установки разработаны с учетом возможности масштабирования процессов переработки жидкостей — от лабораторных испытаний до пилотных испытаний и промышленного поточного производства. Мощный ультразвук, возможность круглосуточной непрерывной работы, прочность промышленного уровня и низкие затраты на техническое обслуживание делают соноэлектросистемы Hielscher идеальным решением для промышленного соноэлектролита.
Линейное масштабирование за счет регулирования таких параметров, как амплитуда, подаваемая энергия, расход, температура и время пребывания, позволяет значительно увеличить производственные мощности.

Звуковое электролизное извлечение в технологической цепочке «выщелачивание–электролизное извлечение»

На традиционных гидрометаллургических предприятиях электролиз часто осуществляется после выщелачивания, разделения твердой и жидкой фаз, очистки, а иногда и экстракции растворителем или ионного обмена. Ультразвуковой электролиз можно интегрировать в этот последующий этап извлечения для усиления преобразования растворенных ионов металла в твердый металл.

Типичная технологическая схема может выглядеть следующим образом:

1. Дробленая руда, концентрат, хвосты или вторичное сырье подвергаются выщелачиванию с целью растворения целевого металла.
2. Нерастворимая пустая порода, остаточные твердые вещества и нежелательные фазы удаляются или их количество уменьшается.
3. Раствор с выщелаченным металлом подвергается химической доработке для селективного электролизного извлечения.
4. Электролит подается в ячейку для электролизного извлечения, оснащенную ультразвуковыми электродами и системой циркуляции.
5. Ультразвуковая обработка улучшает перенос ионов и способствует обновлению поверхности электрода, в то время как приложенный ток обеспечивает осаждение металла на катоде.
6. Металлический продукт извлекается, а электролит подвергается вторичной переработке или направляется на дальнейшую очистку.

Данная комбинация представляет особый интерес в тех случаях, когда металлургической промышленности приходится перерабатывать более сложные виды сырья. Многие виды сырья будущего характеризуются более низким содержанием металла, большим количеством примесей, более мелкими частицами, смешанным химическим составом или изменчивым составом. Соноэлектролиз позволяет повысить надежность этапа электрохимического извлечения за счет улучшения взаимодействия между электролитом и поверхностью электрода.

Соноэлектрохимическое извлечение металлов: более высокая выходность при меньших затратах на технологический процесс

Электроэкстракция уже является краеугольным камнем гидрометаллургии, поскольку позволяет извлекать металлы из водных растворов в виде ценных твердых продуктов. Ультразвуковая электроэкстракция превосходит традиционную электроэкстракцию за счет повышения эффективности извлечения, эффективности тока и снижения энергопотребления.
Синергетический эффект, возникающий при совместном применении мощного ультразвука и электролизного извлечения, позволяет преодолеть физические ограничения электрохимического интерфейса и способствует более интенсивному, контролируемому и потенциально более эффективному извлечению металлов. В горнодобывающей, перерабатывающей и металлургической отраслях эта технология помогает преодолеть разрыв между все более сложным сырьем и потребностью в более чистых, селективных и высокопроизводительных методах извлечения.

Соноэлектролиз как средство интенсификации технологического процесса

Будущее добычи металлов будет зависеть от извлечения большего количества металла из более сложных месторождений. Во многих регионах запасы руд с высоким содержанием металла сокращаются, в то время как спрос на медь, никель, кобальт, литийсодержащие металлы, драгоценные металлы и редкоземельные элементы растет. В то же время отрасль расширяет сферу своей деятельности, переключая внимание с первичных руд на вторичные ресурсы, такие как отработанные аккумуляторы, электронный лом, катализаторы, промышленные отходы и технологические сточные воды.
Ультразвуковое электролизное извлечение представляет собой перспективную стратегию интенсификации технологического процесса в данной области. Благодаря сочетанию селективности электрохимического извлечения металла с межфазным воздействием ультразвуковой кавитации данный метод позволяет улучшить массообмен, активность электродов, морфологию осадка и надежность процесса. Для промышленных предприятий это означает более эффективный путь от выщелоченных ионов металла до готового металлического продукта.
Одним словом, соноэлектролиз превращает поверхность катода в более динамичную зону реакции. Ультразвуковая обработка поддерживает активность электрохимического интерфейса; электрохимия преобразует растворенные ионы в металл; и вместе эти процессы создают мощную платформу для современной гидрометаллургической добычи.

Высокоэффективные соноэлектрозонды и соноэлектрореакторы

Hielscher Ultrasonics - ваш давний опытный партнер в области высокопроизводительных ультразвуковых систем. Мы производим и продаем самые современные ультразвуковые зонды и реакторы, которые используются во всем мире для тяжелых условий эксплуатации в сложных условиях. Для соноэлектрохимии Хильшер разработал специальные ультразвуковые зонды, которые могут выступать в качестве катода и/или анода, а также ультразвуковые реакторные ячейки, пригодные для электрохимических реакций. Ультразвуковые электроды и ячейки доступны как для гальванических/гальванических, так и для электролитических систем.
 

Свяжитесь с нами сейчас и расскажите нам о ваших требованиях к электрохимическим процессам! Мы порекомендуем вам наиболее подходящие ультразвуковые электроды и конфигурацию реактора!
 

Литература / Литература

• Эугениу Василе, Адриан Чоканеа, Виорел Ионеску, Иоан Лепадату, Корнелия Диак, Сербан Н. Стаматин (2021): Как сделать драгоценные металлы доступными: Соноэлектрохимический — гидродинамический кавитационный метод регенерации металлов платиновой группы из отработанных автомобильных катализаторов. «Ultrasonics Sonochemistry», том 72, 2021 г.
• Шериф С. Рашван, Ибрагим Динчер, Атеф Мохани, Бруно Г. Поллет (2019): Процесс «Sono-Hydro-Gen» (ультразвуковое производство водорода): проблемы и перспективы. «International Journal of Hydrogen Energy», том 44, выпуск 29, 2019 г., стр. 14500–14526.
• Юрдал К.; Карахан И.Х. (2017): Исследование методом циклической вольтамперометрии процесса электроосаждения пленок из сплава Cu-Zn: влияние времени ультразвуковой обработкиActa Physica Polonica, т. 132, 2017. С. 1087–1090.
• Мейсон, Т.; Саэс Бернал, В. (2012): Введение в соноэлектрохимию В: «Мощный ультразвук в электрохимии: от универсального лабораторного инструмента до инженерного решения», первое издание. Под редакцией Бруно Г. Полле. 2012 г., издательство John Wiley & «Sons», ООО
• Хаас, И.: «Мысли А.» (2008): Синтез наночастиц металлического магния методом соноэлектрохимии. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795–1798.
• Ашасси-Сорхаби, Х.; Багери, Р. (2014): Соноэлектрохимический и электрохимический синтез полипиррольных пленок на стали St-12 и исследование их коррозионных свойств и морфологии. «Достижения в области технологии полимеров», т. 33, вып. 3; 2014 г.
• Соноэлектрохимический синтез повышает эффективность химического производства