Sono-elektrolytická extrakcia kovov v priemysle

Vzhľadom na to, že celosvetový dopyt po medi, nikli, kobalte, zinku, striebre, zlate, vzácnych kovoch a materiáloch potrebných na výrobu batérií neustále rastie, výrobcovia kovov čelia tlaku, aby z rúd, koncentrátov, hlušiny, recyklovaných materiálov a surovín s nízkym obsahom kovu získavali väčšiu hodnotu. V hydrometalurgii je jednou z najbežnejších metód získavania kovov elektrolýza, známa aj ako elektroextrakcia: rozpustené ióny kovov sa získavajú z lúhovacieho roztoku pôsobením elektrického prúdu, ktorý ióny redukuje a ukladá kov na katódu.

Sono-elektrolytická extrakcia na zvýšenie výťažnosti kovov hydrometalurgickým spôsobom

Sonoelektrolytická extrakcia rozvíja tento princíp kombináciou elektrolytickej extrakcie s vysokointenzívnym ultrazvukom. Výsledkom je sonoelektrochemický proces, v ktorom spoločne pôsobia akustická kavitácia, mikroprúdenie a elektrochemická redukcia. Namiesto toho, aby sa spoliehal iba na elektrický potenciál a konvenčnú cirkuláciu elektrolytu, sonoelektrolytické získavanie zavádza intenzívne lokálne premiešavanie priamo na rozhraní elektródy alebo v jeho blízkosti, kde skutočne dochádza k ukladaniu kovu. O ultrazvuku sa všeobecne uvádza, že zlepšuje prenos hmoty, narúša difúznu vrstvu, čistí povrchy elektród, odstraňuje plynové bubliny a podporuje vyššie elektrochemické rýchlosti.

Sonoelektro-sondy: Dva ultrazvukové snímače rozvíria anódu, resp. katódu. Sonoelektrody alebo sonoelektro-sondy slúžia súčasne ako elektródy aj ako ultrazvukové sondy, čím sa zlepšuje proces elektrolýzy.

Od rudy po katódu: Ako funguje sonoelektrolytické nanášanie

Priemyselná elektrolytická extrakcia zvyčajne začína vyluhovaním. V tejto predchádzajúcej fáze sa cieľový kov rozpúšťa z rudy, koncentrátu, procesných zvyškov, strusky, čiernej hmoty, elektronického odpadu alebo inej metalurgickej suroviny do vodného roztoku. V závislosti od chemického zloženia kovu a rudy môže byť lúh kyslý, zásaditý, na báze chloridov, síranov, kyanidov, amoniaku, organických kyselín alebo inak chemicky prispôsobený na rozpustenie cenného kovového zložky.
Po vyluhovaní sa roztok s obsahom kovu zvyčajne vyjasňuje, čistí a upravuje z hľadiska pH, vodivosti, teploty, koncentrácie kovu a profilu nečistôt. V elektrolytickej bunke tento elektrolyt obsahujúci kov prúdi medzi anódou a katódou. Pri pôsobení riadeného prúdu sa rozpustené ióny kovov presúvajú a redukujú na povrchu katódy, kde vytvárajú pevný kovový nános. Pri sonoelektrolytickom získavaní sa do tohto elektrochemického prostredia vnáša ultrazvuk, čím akustická energia zintenzívňuje transport iónov a obnovu medzivrstvy elektródy.

Zjednodušene povedané, postup je nasledovný:

• Vyluhovanie: Cenné kovy sa z rudy alebo sekundárnej suroviny rozpúšťajú do roztoku.
• Úprava roztoku: Lúh sa čistí alebo upravuje s cieľom zlepšiť selektivitu a správanie pri usadzovaní.
• Sonoelektrochemické nanášanie: V elektrolýze pôsobia súčasne ultrazvuk a elektrický prúd.
• Spätné získavanie katódy: Kovové usadeniny sa získavajú vo forme plechov, prášku, hubovitej hmoty, fólie alebo v iných formách, v závislosti od návrhu procesu.
• Recirkulácia elektrolytu: Vyčerpaný elektrolyt je možné regenerovať, recyklovať alebo vrátiť späť do hydrometalurgického okruhu.

Prečo sonikácia zlepšuje elektrolýzu

Hlavným úzkym miestom v mnohých systémoch elektrolytického získavania nie je len samotná elektrická reakcia. Ide o prísun čerstvých iónov kovu na povrch katódy, odstraňovanie reakčných produktov a plynových bublín, ako aj udržiavanie aktívneho, čistého a homogénneho rozhrania elektródy. Ultrazvuk priamo rieši tieto obmedzenia.
Keď ultrazvuk s vysokým výkonom prenikne do elektrolytu, dochádza k akustickej kavitácii: vytvárajú sa mikroskopické bublinky, ktoré oscilujú a následne kolabujú. Tieto kolapsy generujú mikroprúdy, rázové vlny a intenzívne lokálne šmykové namáhanie. Pri spracovaní v kvapalnej fáze to môže viesť k lokalizovanému miešaniu, mikromiešaniu, disperzii, deaglomerácii a urýchlenému medzifázovému transportu.
Ultrazvuková a sono-elektrotechnológia spoločnosti Hielscher je založená na riadenej akustickej kavitácii pri spracovaní kvapalín, pričom ultrazvukové vlny vytvárajú kavitačné polia, ktoré generujú šmykové sily, rázové vlny, mikroprúdy a reprodukovateľný prenos energie do kvapalín, suspenzií a kalov.
Pri elektrolytickom získavaní sú tieto účinky obzvlášť cenné, pretože elektrochemická reakcia prebieha na povrchu. Ultrazvuk môže znížiť koncentračné gradienty v blízkosti elektródy, stlačiť alebo narušiť difúznu vrstvu a nepretržite privádzať nové ióny kovu ku katóde. Najnovšie práce v oblasti ultrazvukom podporovaného elektrochemického prenosu hmoty opisujú zvýšenie prúdu prostredníctvom stlačenia difúznej vrstvy poháňaného akustickým prúdením, zatiaľ čo výskum ultrazvukom podporovanej elektrodepozície uvádza zlepšený prenos iónov vďaka kavitácii, mikroprúdeniu a účinkom akustického tlaku.

Synergia: ultrazvuk v kombinácii s elektrochémiou

Výhoda sonoelektrolytického získavania nespočíva len v tom, že ultrazvuk “mieša” Riešenie. Hielscher Sono-Electro-Probes kombinujú ultrazvukové sondy a elektródy, ktoré súčasne vnášajú do elektrochemického systému ultrazvuk vysokej intenzity a elektrický prúd. Kľúčom je tu synergické prepojenie dvoch energetických polí: elektrická energia poháňa redukčnú reakciu kovových iónov, zatiaľ čo akustická energia zlepšuje fyzikálne a medzifázové podmienky, za ktorých táto reakcia prebieha.
Táto synergia môže priniesť viacero prínosov relevantných pre priemysel:

• Vyšší prenos hmoty: Ultrazvukové ožiarenie zlepšuje prísun rozpustených kovových iónov na povrch katódy, čím sa znižuje lokálne vyčerpanie.
• Čistejšie povrchy elektród: Kavitácia a akustické prúdenie pomáhajú odstraňovať pasivačné vrstvy, voľne ulpené častice, plynové bubliny a reakčné produkty.
• Možnosť zvýšenia účinnosti prúdu: Aktívnejšie rozhranie elektródy môže znížiť straty spojené s koncentračnou polarizáciou a upchávaním povrchu, hoci konečná účinnosť závisí od chemického zloženia elektrolytu a prevádzkových parametrov.
• Rovnomernejšie nanášanie: Elektrolytické nanášanie s využitím ultrazvuku sa spája s hladšími, hustejšími a rovnomernejšími povlakmi a jemnejšou zrnitosťou.
• Rýchlejšia kinetika elektrolytického nanášania: Vylepšený prenos hmoty a aktivácia povrchu môžu za optimalizovaných podmienok umožniť dosiahnuť vyššie rýchlosti nanášania.
• Obmedzenia súvisiace so zníženou difúziou: Ultrazvuk narúša medznú vrstvu pri elektróde, čím môže prispieť k rovnomernejšiemu nanášaniu aj pri relatívne nízkych koncentráciách kovu.
• Lepšie spracovanie zložitých elektrolytov: Ultrazvukové miešanie môže uľahčiť spracovanie suspenzií, jemných častíc a ťažko spracovateľných výluhov tým, že zlepšuje disperziu a obmedzuje lokálnu stagnáciu.

Vďaka tomu je sonoelektrolytická extrakcia obzvlášť atraktívna pre hydrometalurgické okruhy, v ktorých je konvenčná elektrolytická extrakcia obmedzovaná pomalou kinetikou, nevhodnou morfológiou usadenín, koncentračnou polarizáciou, zanášaním elektród, pokrytím plynovými bublinami alebo nízkou koncentráciou kovových iónov.

Rýchlosti rozpúšťania na Pt elektródach pri konvenčnom a sonoelektrochemickom rozpúšťaní.
Štúdia a grafy: ©Vasile a kol., 2021

Priemyselné výhody pri ťažbe kovov

V prípade priemyselnej ťažby kovov spočíva prínos sonoelektrolytického získavania v intenzifikácii procesu. Za predpokladu, že výkon ultrazvuku, geometria elektród, zloženie elektrolytu a hustota prúdu sú správne zosúladené, je možné potenciálne získať väčšie množstvo kovu za kratší čas, a to pri lepšej morfológii usadenín a stabilnejšej prevádzke článkov.

Z praktického hľadiska umožňuje sonoelektrolýza:

• Získavanie z výluhov s nízkym obsahom: Lepší prenos hmoty môže pomôcť udržať usadzovanie aj v prípade, že koncentrácie rozpusteného kovu nie sú ideálne.
• Zlepšená kvalita katódy: Hladšie a rovnomernejšie usadeniny môžu zjednodušiť následné odstraňovanie, tavenie, rafináciu alebo manipuláciu s práškom.
• Nižšia náchylnosť k usadzovaniu nečistôt: Neustála obnova povrchu môže zmierniť vplyv pasivácie a nežiaducich povrchových vrstiev.
• Kompaktnejšia konštrukcia procesu: Rýchlejšia kinetika môže v závislosti od chemických vlastností procesu umožniť použitie menších buniek alebo dosiahnutie vyššej priepustnosti.
• Zlepšené získavanie surovín zo sekundárnych zdrojov: Čierna hmota z batérií, elektronický odpad, katalyzátory, trosky a priemyselné zvyšky často vytvárajú zložité výluhové roztoky, pri ktorých je dôležité zintenzívnenie prenosu hmoty.
• Lepšia kontrolovateľnosť procesu: Moderné ultrazvukové systémy je možné integrovať do dávkových alebo kontinuálnych inline zariadení a nastaviť pomocou amplitúdy, doby zdržania, prietoku, teploty a dodávanej energie.

Systémy Hielscher sono-electro sú jedinečné: Sono-elektróda slúži súčasne ako ultrazvuková sonda aj ako elektróda. Systémy sono-electro sú navrhnuté pre škálovateľné spracovanie kvapalín, od laboratórnych testov cez pilotnú prevádzku až po priemyselnú inline výrobu. Vysoko výkonný ultrazvuk, schopnosť nepretržitej prevádzky 24/7, priemyselná odolnosť a nízke nároky na údržbu robia sono-elektro-systémy spoločnosti Hielscher ideálnymi pre priemyselné sono-elektrolytické získavanie.
Lineárne zvyšovanie výroby prostredníctvom riadených parametrov, ako sú amplitúda, dodávaná energia, prietok, teplota a doba zdržania, výrazne prispieva k zvýšeniu výrobných kapacít.

Sonoelektrolytická extrakcia v procese lúhovania a elektrolytickej extrakcie

V bežnom hydrometalurgickom závode sa elektrolytická extrakcia často vykonáva po vyluhovaní, separácii pevnej fázy od kvapalnej, čistení a niekedy aj po extrakcii rozpúšťadlom alebo iónovej výmene. Sonoelektrolytická extrakcia sa môže integrovať do tohto následného kroku zhodnocovania s cieľom zintenzívniť premenu rozpustených kovových iónov na pevný kov.

Typický postup môže vyzerať takto:

1. Drvená ruda, koncentrát, hlušina alebo sekundárna surovina sa podrobená lúhovaniu s cieľom rozpustiť cieľový kov.
2. Nerozpustná hlušina, zvyškové tuhé látky a nežiaduce fázy sa odstraňujú alebo ich množstvo sa znižuje.
3. Roztok s obsahom ťažkých kovov je chemicky upravený na účely selektívnej elektrolytickej extrakcie.
4. Elektrolyt sa privádza do elektrolýznej komory vybavenou sonoelektródami a cirkuláciou.
5. Ultrazvukové ožiarenie zlepšuje transport iónov a obnovu povrchu elektródy, zatiaľ čo pôsobiaci prúd nanáša kov na katódu.
6. Kovový výrobok sa získa a elektrolyt sa recykluje alebo sa odošle na ďalšie spracovanie.

Táto kombinácia je obzvlášť zaujímavá v prípadoch, keď musí odvetvie ťažby kovov spracovávať náročnejšie suroviny. Mnohé budúce suroviny obsahujú nižšie obsahy kovov, viac nečistôt, jemnejšie častice, zmiešané chemické zloženie alebo premenlivé zloženie. Sono-elektrolytická extrakcia ponúka spôsob, ako zvýšiť spoľahlivosť kroku elektrochemického získavania zlepšením interakcie medzi elektrolytom a povrchom elektródy.

Sonoelektrochemická extrakcia kovov: vyššie výťažky pri nižších prevádzkových nákladoch

Elektrolytická extrakcia je už dnes základným kameňom hydrometalurgie, pretože umožňuje získavať kovy z vodných roztokov vo forme vysokohodnotných pevných produktov. Sono-elektrolytická extrakcia vylepšuje konvenčnú elektrolytickú extrakciu zvýšením účinnosti získavania, prúdovej účinnosti a znížením spotreby energie.
Synergické účinky výkonného ultrazvuku a elektrolýzy prekonávajú fyzikálne obmedzenia elektrochemického rozhrania a umožňujú intenzívnejšiu, kontrolovanejšiu a potenciálne efektívnejšiu extrakciu kovov. V oblasti ťažby, recyklácie a metalurgie táto technológia pomáha preklenúť priepasť medzi čoraz zložitejšími surovinami a potrebou čistejších, selektívnejších a výkonnejších spôsobov extrakcie.

Sonoelektrolýza ako nástroj na intenzifikáciu procesu

Budúcnosť ťažby kovov bude závisieť od získavania väčšieho množstva kovov z náročnejších zdrojov. V mnohých regiónoch ubúdajú rudy s vysokým obsahom kovu, zatiaľ čo dopyt po medi, nikli, kobalte, kovoch súvisiacich s lítiom, drahých kovoch a vzácnych prvkoch rastie. Zároveň sa priemysel zameriava nielen na primárne rudy, ale aj na sekundárne zdroje, ako sú vybitá batérie, elektronický šrot, katalyzátory, priemyselné zvyšky a procesné vody.
Sono-elektrolytická extrakcia ponúka v tomto kontexte presvedčivú stratégiu na zintenzívnenie procesu. Kombináciou selektivity elektrochemického získavania kovov s medzifázovou silou ultrazvukovej kavitácie môže zlepšiť prenos hmoty, aktivitu elektród, morfológiu usadenín a spoľahlivosť procesu. Pre priemyselných prevádzkovateľov to znamená efektívnejšiu cestu od vylúhovaných kovových iónov k získateľnému kovovému produktu.
Stručne povedané, sono-elektrolytická extrakcia mení povrch katódy na dynamickejšiu reakčnú zónu. Ultrazvukové ožarovanie udržiava elektrochemické rozhranie v aktívnom stave; elektrochémia premieňa rozpustené ióny na kov; a spoločne vytvárajú výkonnú platformu pre modernú hydrometalurgickú extrakciu.

Vysoko výkonné sono-elektrické sondy a sono-elektrické reaktory

Hielscher Ultrasonics je váš dlhoročný skúsený partner pre vysokovýkonné ultrazvukové systémy. Vyrábame a distribuujeme najmodernejšie ultrazvukové sondy a reaktory, ktoré sa používajú po celom svete pre náročné aplikácie v náročných prostrediach. Pre sonoelektrochémiu vyvinul Hielscher špeciálne ultrazvukové sondy, ktoré môžu pôsobiť ako katóda a/alebo anóda, ako aj ultrazvukové reaktorové články vhodné pre elektrochemické reakcie. Ultrazvukové elektródy a články sú k dispozícii pre galvanické / voltaické aj elektrolytické systémy.
 

Kontaktujte nás teraz a povedzte nám o svojich požiadavkách na elektrochemické procesy! Odporučíme vám najvhodnejšie ultrazvukové elektródy a nastavenie reaktora!
 

Literatúra / Referencie

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Ako znížiť cenu drahých kovov: Sonoelektrochemická – hydrodynamická kavitačná metóda na recykláciu kovov platinovej skupiny z vyhorených automobilových katalyzátorov. Ultrasonics Sonochemistry, ročník 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): Proces Sono-Hydro-Gen (výroba vodíka indukovaná ultrazvukom): Výzvy a príležitosti. International Journal of Hydrogen Energy, ročník 44, číslo 29, 2019, s. 14500–14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): Štúdia cyklickou voltametriou zameraná na elektrolytické nanášanie vrstiev zliatiny Cu-Zn: vplyv dĺžky trvania ultrazvukového ožiareniaActa Physica Polonica, roč. 132, 2017, s. 1087–1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): Úvod do sonoelektrochémie V: „Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution“, prvé vydanie. Zostavil Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, s.r.o.
• Haas, I.: Myšlienky A. (2008): Syntéza nanočastíc kovového horčíka pomocou sonoelektrochémie. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795–1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri, R. (2014): Sonoelektrochemická a elektrochemická syntéza polypyrrolových vrstiev na oceli St-12 a štúdia ich korózie a morfológie. Advances in Polymer Technology, roč. 33, č. 3; 2014.
• Sonoelektrochemická syntéza zvyšuje efektivitu chemickej výroby