Sono-elektroliza za industrijsko pridobivanje kovin

Ker se svetovno povpraševanje po bakru, niklju, kobaltu, cinku, srebru, zlatu, redkih kovinah in surovinah za baterije nenehno povečuje, so proizvajalci kovin pod pritiskom, da iz rud, koncentratov, odpadnih rud, recikliranih tokov in surovin z nizko vsebnostjo kovin izkoristijo večjo vrednost. V hidrometalurgiji je eden od najbolj uveljavljenih postopkov za pridobivanje kovin elektroliza, znana tudi kot elektroekstrakcija: raztopljeni kovinski ioni se iz lužne raztopine pridobivajo z uporabo električnega toka, ki ione reducira in kovino odlaga na katodo.

Sono-elektroliza za izboljšano hidrometalurško izkoriščanje kovin

Sono-elektroliza nadgrajuje to načelo s kombinacijo elektrolize in visokointenzivnega ultrazvoka. Rezultat je sonoelektrokemijski proces, v katerem skupaj delujejo akustična kavitacija, mikroteci in elektrokemijska redukcija. Namesto da bi se zanašal izključno na električni potencial in konvencionalno cirkulacijo elektrolita, sonoelektroliza uvaja intenzivno lokalno mešanje neposredno na ali v bližini stične ploskve elektrode, kjer dejansko poteka nanos kovine. O ultrazvoku se pogosto poroča, da izboljša prenos mase, moti difuzijski sloj, očisti površine elektrod, odstrani plinske mehurčke in omogoča višje elektrokemijske hitrosti.

Sono-elektro-sonde: 2 ultrazvočna pretvornika vzbujata anodo oziroma katodo. Sono-elektrode ali sono-elektro-sonde delujejo hkrati kot elektrode in ultrazvočne sonde za izboljšanje elektrolize.

Od rude do katode: kako deluje sonoelektrodepozicija

Industrijsko elektrolitično pridobivanje se običajno začne z izluževanjem. V tej predhodni fazi se ciljna kovina iz rude, koncentrata, ostankov predelave, žlindre, črne mase, elektronskih odpadkov ali drugih metalurških surovin raztopi v vodni raztopini. Glede na kemijsko sestavo kovine in rude je lahko izluževalno sredstvo kislo, alkalno, na osnovi klorida, sulfata, cianida, amoniaka, organskih kislin ali drugače kemijsko prilagojeno za raztapljanje dragocene kovinske faze.
Po izluževanju se raztopina, bogata z kovinami, običajno očisti, prečisti in prilagodi glede na pH, prevodnost, temperaturo, koncentracijo kovin in profil nečistot. V celici za elektrolizo ta elektrolit, ki vsebuje kovine, teče med anodo in katodo. Ko se dovaja nadzorovan tok, se raztopljeni kovinski ioni premikajo in reducirajo na površini katode, kjer tvorijo trdno kovinsko oblogo. Pri sonoelektrolizi se v to elektrokemijsko okolje vpelje ultrazvok, tako da akustična energija pospeši prenos ionov in obnovo mejnega sloja elektrod.

Preprosto povedano, potek postopka je naslednji:

• Izpiranje: Dragocene kovine se iz rude ali sekundarnih surovin raztopijo v raztopino.
• Priprava raztopine: Izluženina se očisti ali prilagodi, da se izboljšata selektivnost in obnašanje pri odlaganju.
• Sonoelektrokemijsko nanašanje: V celici za elektrolizo delujeta hkrati ultrazvok in električni tok.
• Obnova katode: Kovinske usedline se pridobivajo v obliki pločevin, prahu, gob, folije ali v drugih oblikah, odvisno od zasnove postopka.
• Recirkulacija elektrolita: Izčrpani elektrolit se lahko regenerira, reciklira ali vrne v hidrometalurški krog.

Zakaj ultrazvok izboljša elektrolizo

Glavno ozko grlo v mnogih sistemih elektrolize ni le sama električna reakcija. Gre za dovajanje svežih kovinskih ionov na površino katode, odstranjevanje reakcijskih produktov in plinskih mehurčkov ter ohranjanje aktivnega, čistega in homogenega stičnega območja elektrode. Ultrazvok neposredno odpravlja te omejitve.
Ko ultrazvok visoke moči vstopi v elektrolit, povzroči akustično kavitacijo: nastanejo mikroskopske mehurčke, ki nihajo in se sesujejo. Pri tem sesuvanju nastajajo mikro curki, udarni valovi in intenzivno lokalno strižno delovanje. Pri obdelavi v tekoči fazi lahko to povzroči lokalno mešanje, mikromešanje, disperzijo, razpad aglomeratov in pospešen transport na mejni ploskvi.
Ultrazvočna in sono-elektro-tehnologija podjetja Hielscher temelji na nadzorovani akustični kavitaciji za obdelavo tekočin, pri čemer ultrazvočni valovi ustvarjajo kavitacijska polja, ki povzročajo strižne sile, udarne valove, mikrostruge ter ponovljiv prenos energije v tekočine, suspenzije in kaše.
Pri elektroliznem pridobivanju so ti učinki še posebej dragoceni, saj se elektrokemijska reakcija odvija na površini. Ultrazvok lahko zmanjša koncentracijske gradientne v bližini elektrode, stisne ali prekine difuzijski sloj ter neprekinjeno dovaja sveže kovinske ione na katodo. Nedavne raziskave o ultrazvokom ojačanem elektrokemijskem prenosu mase opisujejo povečanje toka prek stiskanja difuzijskega sloja, ki ga poganja akustični tok, medtem ko raziskave o ultrazvokom podprtem elektrodepozicijskem postopku poročajo o izboljšanem prenosu ionov prek kavitacije, mikrotoka in učinkov akustičnega tlaka.

Sinergija: ultrazvok in elektrokemija

Prednost sono-elektrolize ni le v tem, da ultrazvok “meša” rešitev. Hielscherjeve Sono-Electro-Probes združujejo ultrazvočne sonde in elektrode, ki v elektrokemijski sistem hkrati vnašajo visokointenziven ultrazvok in električni tok. Pri tem je ključnega pomena sinergistično povezovanje dveh energijskih polj: električna energija poganja reakcijo redukcije kovinskih ionov, medtem ko akustična energija izboljša fizikalne in medfazne pogoje, v katerih poteka ta reakcija.
Ta sinergija lahko prinese več koristi, pomembnih za industrijo:

• Večji prenos mase: Ultrazvok izboljša dovajanje raztopljenih kovinskih ionov na površino katode, s čimer zmanjša lokalno izčrpavanje.
• Čistejše površine elektrod: Kavitacija in akustično pretakanje pomagata pri odstranjevanju pasivnih slojev, slabo pritrjenih delcev, plinskih mehurčkov in reakcijskih produktov.
• Možnosti za izboljšanje učinkovitosti toka: Aktivnejši elektrodni vmesnik lahko zmanjša izgube, povezane s koncentracijsko polarizacijo in zamašitvijo površine, čeprav je končna učinkovitost odvisna od kemijske sestave elektrolita in obratovalnih parametrov.
• Enakomernejše nanašanje: Elektrodepozicija z ultrazvokom je povezana z gladkejšimi, gostejšimi in bolj enakomernimi nanosom ter z bolj fino zrnato strukturo.
• Hitrejša kinetika elektrodepozicije: Izboljšan prenos mase in aktivacija površine lahko v optimalnih pogojih omogočita višje hitrosti nanašanja.
• Omejitve zmanjšane difuzije: Ultrazvok z motenjem mejnega sloja na elektrodi lahko prispeva k bolj enakomernemu nanašanju, tudi kadar so koncentracije kovine relativno nizke.
• Boljše ravnanje s kompleksnimi elektroliti: Ultrazvočno mešanje lahko olajša obdelavo suspenzij, drobnih delcev in težko izlužljivih raztopin, saj izboljša disperzijo in zmanjša lokalno zastoj.

Zaradi tega je sono-elektroliza še posebej privlačna za hidrometalurške procese, v katerih je konvencionalna elektroliza omejena zaradi počasne kinetike, slabe morfologije usedlin, koncentracijske polarizacije, onesnaženja elektrod, prekrivanja s plinskimi mehurčki ali nizke koncentracije kovinskih ionov.

Hitrosti raztapljanja Pt-elektrod s konvencionalno metodo v primerjavi s sonoelektrokemijsko metodo.
Študija in grafi: ©Vasile et al., 2021

Industrijske prednosti pri pridobivanju kovin

Pri industrijskem pridobivanju kovin je prednost sono-elektrolize v intenzifikaciji procesa. V krajšem času je mogoče pridobiti več kovine, pri čemer se izboljša morfologija usedline in zagotovi stabilnejše delovanje celice, če so moč ultrazvoka, geometrija elektrod, sestava elektrolita in gostota toka ustrezno usklajeni.

V praksi sonoelektroliza omogoča:

• Izkoriščanje iz izluženih tekočin z nizko vsebnostjo: Boljši prenos snovi lahko pripomore k ohranjanju usedanja, kadar koncentracije raztopljenih kovin niso idealne.
• Izboljšana kakovost katode: Gladkejši in bolj enakomerni nanosi lahko poenostavijo nadaljnje postopke odstranjevanja, taljenja, prečiščevanja ali ravnanja s prahom.
• Manjša nagnjenost k nabiranju nečistoč: Nenehna obnova površine lahko zmanjša vpliv pasivacije in neželenih površinskih slojev.
• Bolj kompaktna zasnova procesa: Hitrejša kinetična hitrost lahko omogoči uporabo manjših celic ali večjo zmogljivost, odvisno od kemijskih lastnosti procesa.
• Izboljšano pridobivanje iz sekundarnih virov: Črna masa iz baterij, elektronski odpadki, katalizatorji, žlindra in industrijski ostanki pogosto povzročajo nastanek kompleksnih izlužkov, pri katerih je pomemben okrepljen prenos snovi.
• Boljša nadzorljivost procesa: Sodobne ultrazvočne naprave je mogoče vgraditi v serijske ali neprekinjene vgrajene sisteme ter jih nastaviti z regulacijo amplitude, zadrževalnega časa, pretoka, temperature in vnesene energije.

Sono-elektro-sistemi podjetja Hielscher so edinstveni: sono-elektroda deluje hkrati kot ultrazvočna sonda in elektroda. Sono-elektro-sistemi so zasnovani za prilagodljivo obdelavo tekočin, od laboratorijskih preskusov do pilotnega obratovanja in industrijske proizvodnje v proizvodni liniji. Visokozmogljivi ultrazvok, zmožnost neprekinjenega delovanja 24 ur na dan, 7 dni na teden, robustnost industrijske kakovosti in majhna potreba po vzdrževanju naredijo sono-elektro sisteme podjetja Hielscher idealne za industrijsko sono-elektrolizo.
Linearno povečanje obsega s pomočjo nadzorovanih parametrov, kot so amplituda, vnesena energija, pretok, temperatura in čas zadrževanja, znatno olajša povečanje proizvodnih zmogljivosti.

Sono-elektroliza v verigi izluževanja in elektrolize

V običajni hidrometalurški napravi se elektroliza pogosto izvaja po izluževanju, ločevanju trdnih snovi od tekočin, čiščenju ter včasih tudi po ekstrakciji s topili ali ionski izmenjavi. Sonoelektrolizo je mogoče vključiti v ta zaključni korak pridobivanja, da se pospeši pretvorba raztopljenih kovinskih ionov v trdno kovino.

Tipičen potek procesa bi lahko bil takšen:

1. Zdrobljena ruda, koncentrat, odpadki ali sekundarna surovina se izlužijo, da se ciljna kovina raztopi.
2. Neraztopljiva žilavina, preostale trdne snovi in neželene faze se odstranijo ali zmanjšajo.
3. Raztopina z nasičenim lešom je kemično prilagojena za selektivno elektrolizo.
4. Elektrolit se dovaja v celico za elektrolizo, opremljeno s sonoelektrodami in sistemom za cirkulacijo.
5. Ultrazvok izboljša prenos ionov in obnovo površine elektrode, medtem ko uporabljeni tok povzroči nanos kovine na katodo.
6. Kovinski izdelek se izloči, elektrolit pa se reciklira ali pošlje v nadaljnjo obdelavo.

Ta kombinacija je še posebej zanimiva v primerih, ko mora industrija pridobivanja kovin predelovati zahtevnejše surovine. Mnoge surovine prihodnosti vsebujejo nižjo vsebnost kovin, več nečistoč, drobnejše delce, mešane kemijske sestave ali spremenljivo sestavo. Sono-elektroliza ponuja možnost, da se postopek elektrokemijskega pridobivanja naredi zanesljivejši z izboljšanjem interakcije med elektrolitom in površino elektrode.

Sono-elektrokemijsko pridobivanje kovin: višji donosi ob nižjih stroških postopka

Elektroliza je že danes temelj hidrometalurgije, saj omogoča pridobivanje kovin iz vodnih raztopin v obliki visokokakovostnih trdnih proizvodov. Sono-elektroliza izboljšuje konvencionalno elektroekstrakcijo z večjo učinkovitostjo pridobivanja, večjo tokovno učinkovitostjo in manjšo porabo energije.
Sinergični učinki močnega ultrazvoka in elektrolize odpravljajo fizikalne omejitve elektrokemijskega vmesnika ter omogočajo intenzivnejše, nadzorovano in potencialno učinkovitejše pridobivanje kovin. Pri rudarskih, reciklažnih in metalurških postopkih ta tehnologija pomaga premostiti vrzel med vse bolj kompleksnimi surovinami in potrebo po čistejših, selektivnejših postopkih ekstrakcije z večjo zmogljivostjo.

Sono-elektroliza kot orodje za intenzifikacijo procesa

Prihodnost pridobivanja kovin bo odvisna od tega, ali bo mogoče iz težje dostopnih virov pridobiti več kovin. V mnogih regijah se zaloge visokokakovostnih rud zmanjšujejo, medtem ko se povpraševanje po bakru, niklju, kobaltu, kovinah, povezanih z litijem, plemenitih kovinah in redkih elementih povečuje. Hkrati industrija širi svoj fokus s primarnih rud na sekundarne vire, kot so izrabljene baterije, elektronski odpad, katalizatorji, industrijski ostanki in procesne vode.
Sono-elektroliza ponuja prepričljivo strategijo za intenzifikacijo procesa v tem kontekstu. S kombinacijo selektivnosti elektrokemijske pridobitve kovin in medfazne moči ultrazvočne kavitacije lahko izboljša prenos mase, aktivnost elektrod, morfologijo usedlin ter zanesljivost procesa. Za industrijske izvajalce to pomeni učinkovitejšo pot od izpranih kovinskih ionov do pridobljivega kovinskega proizvoda.
Na kratko, s pomočjo sono-elektrolize se površina katode spremeni v bolj dinamično reakcijsko območje. Ultrazvok ohranja elektrokemijski vmesnik aktiven; elektrokemija pretvarja raztopljene ione v kovino; skupaj pa ustvarjata močno platformo za sodobno hidrometalurško pridobivanje.

Visoko zmogljive sono-elektro-sonde in sono-elektro-reaktorji

Hielscher Ultrasonics je vaš dolgoletni izkušen partner za visoko zmogljive ultrazvočne sisteme. Izdelujemo in distribuiramo najsodobnejše ultrazvočne sonde in reaktorje, ki se uporabljajo po vsem svetu za težke aplikacije v zahtevnih okoljih. Za sonoelektrokemijo je Hielscher razvil posebne ultrazvočne sonde, ki lahko delujejo kot katoda in / ali anoda, kot tudi ultrazvočne reaktorske celice, primerne za elektrokemične reakcije. Ultrazvočne elektrode in celice so na voljo za galvanske / voltaične in elektrolitske sisteme.
 

Kontaktirajte nas zdaj in nam povejte o svojih zahtevah za elektrokemične procese! Priporočamo vam najprimernejše ultrazvočne elektrode in nastavitev reaktorja!
 

Literatura / Reference

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Kako poceniti plemenite kovine: Sonoelektrokemijska – hidrodinamična kavitacijska metoda za recikliranje kovin iz skupine platine iz izrabljenih avtomobilskih katalizatorjev. Ultrasonics Sonochemistry, zvezek 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): Postopek Sono-Hydro-Gen (proizvodnja vodika z ultrazvokom): izzivi in priložnosti. International Journal of Hydrogen Energy, letnik 44, številka 29, 2019, str. 14500–14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): Študija ciklične voltametrije o elektrodepoziciji filmov iz zlitine Cu-Zn: vpliv trajanja ultrazvočne obdelaveActa Physica Polonica, letnik 132, 2017. str. 1087–1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): Uvod v sonoelektrokemijo V: »Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution«, prva izdaja. Uredil Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, d.o.o.
• Haas, I.: Misli A. (2008): Sinteza kovinskih magnezijevih nanodelcev s pomočjo sonoelektrokemije. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795–1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri, R. (2014): Sonoelektrokemijska in elektrokemijska sinteza polipirrolnih filmov na jeklu St-12 ter raziskave njihove korozije in morfologije. Advances in Polymer Technology, letnik 33, številka 3; 2014.
• Sonoelektrokemična sinteza izboljšuje učinkovitost v kemični proizvodnji