Соноэлектроэкстракция для промышленного извлечения металлов

Поскольку мировой спрос на медь, никель, кобальт, цинк, серебро, золото, редкие металлы и материалы для аккумуляторов продолжает расти, производители металлов вынуждены извлекать больше ценных компонентов из руд, концентратов, хвостов, потоков перерабатываемых материалов и низкосортного сырья. В гидрометаллургии одним из наиболее устоявшихся способов извлечения металлов является электролитическое извлечение, также известное как электроэкстракция: растворённые ионы металла извлекаются из раствора выщелачивания путём пропускания электрического тока, который восстанавливает ионы и осаждает металл на катоде.

Соноэлектроэкстракция для улучшения гидрометаллургического извлечения металлов

Соноэлектроэкстракция развивает этот принцип, сочетая электроэкстракцию с высокоинтенсивным ультразвуком. В результате возникает соноэлектрохимический процесс, в котором совместно действуют акустическая кавитация, микропотоки и электрохимическое восстановление. Вместо использования только электрического потенциала и обычной циркуляции электролита соноэлектроэкстракция обеспечивает интенсивное локальное перемешивание непосредственно на межфазной границе электрода или вблизи неё, где и происходит осаждение металла. Во многих публикациях сообщается, что ультразвук усиливает массоперенос, нарушает диффузионный слой, очищает поверхности электродов, удаляет газовые пузырьки и способствует повышению скорости электрохимических процессов.

Соноэлектрохимические зонды: 2 ультразвуковых преобразователя приводят в колебание анод и катод соответственно. Соноэлектроды, или соноэлектрохимические зонды, одновременно выполняют функции электродов и ультразвуковых зондов для улучшения электроэкстракции.

От руды до катода: как работает соноэлектроосаждение

Промышленная электроэкстракция обычно начинается с выщелачивания. На этом предшествующем этапе целевой металл переводят в водный раствор из руды, концентрата, технологического остатка, шлака, чёрной массы аккумуляторов, электронных отходов или другого металлургического сырья. В зависимости от химического состава металла и руды выщелачивающий реагент может быть кислотным, щелочным, хлоридным, сульфатным, цианидным, аммиачным, на основе органических кислот или иметь иной химический состав, подобранный для растворения ценной металлсодержащей фазы.
После выщелачивания обогащённый раствор обычно осветляют, очищают и корректируют его pH, электропроводность, температуру, концентрацию металла и состав примесей. В ячейке электроэкстракции этот металлсодержащий электролит протекает между анодом и катодом. При пропускании регулируемого тока растворённые ионы металла перемещаются и восстанавливаются на поверхности катода, где образуют твёрдый металлический осадок. При соноэлектроэкстракции в эту электрохимическую среду вводят ультразвук, чтобы акустическая энергия усиливала перенос ионов и обновление пограничного слоя электрода.

В упрощённом виде последовательность процесса выглядит следующим образом:

• Выщелачивание: Ценные металлы переводят из руды или вторичного сырья в раствор.
• Подготовка раствора: Раствор выщелачивания очищают или корректируют его параметры для улучшения селективности и характера осаждения.
• Соноэлектрохимическое осаждение: Ультразвук и электрический ток действуют одновременно в ячейке электроэкстракции.
• Сбор катодного металла: Осаждённый металл собирают в виде листов, порошка, губки, фольги или в других формах в зависимости от организации процесса.
• Рециркуляция электролита: Обеднённый электролит можно регенерировать, использовать повторно или возвращать в гидрометаллургический контур.

Почему обработка ультразвуком улучшает электроэкстракцию

Основным ограничивающим фактором во многих системах электроэкстракции является не только сама электрохимическая реакция. Ограничения связаны с подачей новых ионов металла к поверхности катода, удалением продуктов реакции и газовых пузырьков, а также поддержанием активной, чистой и однородной межфазной границы электрода. Ультразвук непосредственно воздействует на эти ограничения.
Когда мощный ультразвук распространяется в электролите, он создаёт акустическую кавитацию: микроскопические пузырьки образуются, колеблются и схлопываются. Их схлопывание порождает микроструи, ударные волны и интенсивный локальный сдвиг. При обработке жидкой фазы это может обеспечивать локальное перемешивание, микроперемешивание, диспергирование, деагломерацию и ускоренный межфазный перенос.
Ультразвуковые и соноэлектрохимические технологии Hielscher основаны на управляемой акустической кавитации для обработки жидкостей: ультразвуковые волны создают кавитационные поля, которые обеспечивают сдвиг, ударные волны, микроструи и воспроизводимую передачу энергии в жидкости, суспензии и пульпы.
В электроэкстракции эти эффекты особенно ценны, поскольку электрохимическая реакция происходит на поверхности. Ультразвук может уменьшать градиенты концентрации вблизи электрода, сжимать или разрушать диффузионный слой и непрерывно подводить новые ионы металла к катоду. Недавние работы по усилению электрохимического массопереноса ультразвуком описывают увеличение тока за счёт сжатия диффузионного слоя под действием акустических потоков, а исследования электроосаждения с применением ультразвука сообщают об улучшении переноса ионов благодаря кавитации, микропотокам и воздействию акустического давления.

Синергия: обработка ультразвуком в сочетании с электрохимией

Преимущество соноэлектроэкстракции заключается не только в том, что ультразвук «перемешивает» раствор. Hielscher Sono-Electro-Probes сочетают функции ультразвуковых зондов и электродов, одновременно вводя высокоинтенсивный ультразвук и электрический ток в электрохимическую систему. Ключевую роль при этом играет синергетическое взаимодействие двух энергетических полей: электрическая энергия обеспечивает реакцию восстановления ионов металла, а акустическая энергия улучшает физические и межфазные условия, в которых протекает эта реакция.
Такая синергия может обеспечить ряд преимуществ, значимых для промышленности:

• Усиленный массоперенос: Обработка ультразвуком улучшает подвод растворённых ионов металла к поверхности катода, уменьшая локальное обеднение.
• Более чистые поверхности электродов: Кавитация и акустические потоки помогают удалять пассивирующие плёнки, слабо закреплённые частицы, газовые пузырьки и продукты реакции.
• Возможность повышения выхода по току: Более активная межфазная граница электрода может уменьшать потери, связанные с концентрационной поляризацией и блокированием поверхности, хотя итоговый выход по току зависит от химического состава электролита и рабочих параметров.
• Более равномерное осаждение: Электроосаждение с применением ультразвука связывают с получением более гладких, плотных и равномерных осадков с более мелкозернистой структурой.
• Более быстрая кинетика электроосаждения: Усиление массопереноса и активация поверхности могут обеспечить более высокую скорость осаждения в оптимизированных условиях.
• Снижение диффузионных ограничений: Нарушая пограничный слой у электрода, ультразвук может способствовать более стабильному осаждению даже при относительно низких концентрациях металла.
• Улучшение обработки сложных электролитов: Ультразвуковое перемешивание может облегчать обработку суспензий, мелких частиц и сложных растворов выщелачивания, улучшая диспергирование и уменьшая локальный застой.

Это делает соноэлектроэкстракцию особенно привлекательной для гидрометаллургических контуров, в которых обычная электроэкстракция ограничена медленной кинетикой, неудовлетворительной морфологией осадка, концентрационной поляризацией, загрязнением электродов, покрытием их поверхности газовыми пузырьками или низкой концентрацией ионов металла.

Скорости растворения электродов из Pt при обычном и соноэлектрохимическом процессе.
Исследование и графики: ©Vasile et al., 2021

Промышленные преимущества при извлечении металлов

Для промышленного извлечения металлов ценность соноэлектроэкстракции заключается в интенсификации процесса. Потенциально можно извлекать больше металла за меньшее время, улучшая морфологию осадка и повышая стабильность работы ячейки, при условии надлежащего согласования мощности ультразвуковой обработки, геометрии электродов, состава электролита и плотности тока.

На практике соноэлектроэкстракция способствует следующим улучшениям:

• Извлечение из бедных растворов выщелачивания: Улучшенный массоперенос может помогать поддерживать осаждение при неоптимальных концентрациях растворённого металла.
• Повышение качества катодного металла: Более гладкие и равномерные осадки могут упрощать последующее снятие металла с катода, плавку, рафинирование или обращение с порошком.
• Снижение склонности к загрязнению: Непрерывное обновление поверхности может уменьшать влияние пассивации и нежелательных поверхностных плёнок.
• Более компактная организация процесса: Более быстрая кинетика может позволить использовать меньшие ячейки или повысить производительность в зависимости от химии процесса.
• Улучшение извлечения из вторичных ресурсов: Чёрная масса аккумуляторов, электронные отходы, катализаторы, шлаки и промышленные остатки часто дают сложные растворы выщелачивания, для которых усиленный массоперенос особенно полезен.
• Улучшение управляемости процесса: Современные ультразвуковые системы можно интегрировать в периодические или непрерывные проточные установки и настраивать посредством регулирования амплитуды, времени пребывания, расхода, температуры и подводимой энергии.

Соноэлектрохимические системы Hielscher уникальны: соноэлектрод одновременно выполняет функции ультразвукового зонда и электрода. Соноэлектрохимические установки рассчитаны на масштабируемую обработку жидкостей – от лабораторных испытаний до опытно-промышленной эксплуатации и промышленного производства в потоке. Мощный ультразвук, возможность непрерывной работы 24/7, прочность промышленного уровня и малая потребность в техническом обслуживании делают соноэлектрохимические системы Hielscher идеальными для промышленной соноэлектроэкстракции.
Линейное масштабирование посредством управляемых параметров, таких как амплитуда, подводимая энергия, расход, температура и время пребывания, значительно облегчает увеличение производственных мощностей.

Соноэлектроэкстракция в цепочке «выщелачивание – электроэкстракция»

На обычном гидрометаллургическом предприятии электроэкстракция часто следует за выщелачиванием, разделением твёрдой и жидкой фаз, очисткой, а иногда и экстракцией растворителем или ионным обменом. Соноэлектроэкстракцию можно интегрировать в этот последующий этап извлечения для интенсификации превращения растворённых ионов металла в твёрдый металл.

Типичная технологическая последовательность может выглядеть следующим образом:

1. Дроблёную руду, концентрат, хвосты или вторичное сырьё подвергают выщелачиванию для растворения целевого металла.
2. Нерастворимую пустую породу, остаточные твёрдые вещества и нежелательные фазы удаляют или уменьшают их количество.
3. Химический состав обогащённого раствора выщелачивания корректируют для селективной электроэкстракции.
4. Электролит подают в ячейку электроэкстракции, оснащённую соноэлектродами и системой циркуляции.
5. Обработка ультразвуком улучшает перенос ионов и обновление поверхности электрода, а пропускаемый ток осаждает металл на катоде.
6. Металлический продукт собирают, а электролит используют повторно или направляют на дальнейшую обработку.

Такое сочетание особенно интересно там, где отрасли извлечения металлов необходимо перерабатывать более сложные ресурсы. Многие виды сырья, которые предстоит перерабатывать в будущем, характеризуются более низким содержанием металла, большим количеством примесей, более мелкими частицами, смешанными химическими системами или переменным составом. Соноэлектроэкстракция позволяет сделать этап электрохимического извлечения более устойчивым за счёт улучшения взаимодействия между электролитом и поверхностью электрода.

Соноэлектрохимическое извлечение металлов: более высокий выход при меньших затратах на процесс

Электроэкстракция уже является одной из основ гидрометаллургии, поскольку позволяет извлекать металлы из водных растворов в виде ценных твёрдых продуктов. Соноэлектроэкстракция совершенствует обычную электроэкстракцию, улучшая эффективность извлечения, выход по току и показатели энергопотребления.
Синергетические эффекты мощного ультразвука и электроэкстракции устраняют физические ограничения электрохимической межфазной границы и способствуют более интенсивному, управляемому и потенциально более эффективному извлечению металлов. В горнодобывающей отрасли, переработке вторичного сырья и металлургии эта технология помогает преодолеть разрыв между всё более сложным сырьём и потребностью в более чистых, селективных и производительных способах извлечения.

Соноэлектроэкстракция как инструмент интенсификации процесса

Будущее извлечения металлов будет зависеть от возможности получать больше металла из более сложных ресурсов. Во многих регионах запасы богатых руд сокращаются, тогда как спрос на медь, никель, кобальт, металлы, связанные с литием, драгоценные металлы и редкие элементы растёт. Одновременно промышленность расширяет сферу внимания, переходя от первичных руд к вторичным ресурсам, таким как отработанные аккумуляторы, электронный лом, катализаторы, промышленные остатки и технологические воды.
В этих условиях соноэлектроэкстракция предлагает привлекательную стратегию интенсификации процесса. Сочетая селективность электрохимического извлечения металлов с воздействием ультразвуковой кавитации на межфазные границы, она может улучшать массоперенос, активность электродов, морфологию осадка и устойчивость процесса. Для промышленных предприятий это означает более надёжный путь от ионов металла в растворе выщелачивания к металлическому продукту, который можно извлечь.
Таким образом, соноэлектроэкстракция превращает поверхность катода в более динамичную реакционную зону. Обработка ультразвуком поддерживает активность электрохимической межфазной границы; электрохимия превращает растворённые ионы в металл; вместе они создают мощную платформу для современного гидрометаллургического извлечения.

Высокопроизводительные Sono-Electro-Probes и SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics – ваш партнёр с многолетним опытом в области высокопроизводительных ультразвуковых систем. Мы производим и поставляем современные ультразвуковые зонды и реакторы, которые используются по всему миру для интенсивной обработки в сложных условиях. Для соноэлектрохимии Hielscher разработала специальные ультразвуковые зонды, способные выполнять функции катода и/или анода, а также ультразвуковые реакторные ячейки, подходящие для электрохимических реакций. Ультразвуковые электроды и ячейки доступны как для гальванических / вольтаических, так и для электролитических систем.
 

Свяжитесь с нами сейчас и расскажите о требованиях к вашему электрохимическому процессу! Мы порекомендуем вам наиболее подходящие ультразвуковые электроды и конфигурацию реактора!
 

Литература / Ссылки

• 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