Sono-elektroekstraktimi për nxjerrjen industriale të metaleve

Ndërsa kërkesa globale për bakër, nikel, kobalt, zink, argjend, ar, metale të rralla dhe materiale të rëndësishme për bateritë vazhdon të rritet, prodhuesit e metaleve janë nën presion për të rikuperuar më shumë vlerë nga xeherorët, koncentratet, mbetjet e pasurimit, rrjedhat e materialeve të ricikluara dhe lëndët e para me përmbajtje të ulët metalesh. Në hidrometalurgji, një nga rrugët më të konsoliduara për rikuperimin e metaleve është përftimi elektrolitik, i njohur edhe si elektroekstraktim: jonet metalike të tretura rikuperohen nga një tretësirë lixiviimi duke zbatuar një rrymë elektrike, e cila redukton jonet dhe depoziton metalin mbi një katodë.

Sono-elektroekstraktimi për rikuperim të përmirësuar hidrometalurgjik të metaleve

Sono-elektroekstraktimi e çon më tej këtë parim duke kombinuar elektroekstraktimin me ultratinguj me intensitet të lartë. Rezultati është një proces sonoelektrokimik në të cilin kavitacioni akustik, mikrorrymat dhe reduktimi elektrokimik veprojnë së bashku. Në vend që të mbështetet vetëm në potencialin elektrik dhe qarkullimin konvencional të elektrolitit, sono-elektroekstraktimi krijon përzierje intensive lokale drejtpërdrejt në ndërfaqen e elektrodës ose pranë saj, aty ku ndodh realisht depozitimi i metalit. Raportohet gjerësisht se ultratingujt përmirësojnë transportin e masës, çrregullojnë shtresën e difuzionit, pastrojnë sipërfaqet e elektrodave, largojnë flluskat e gazit dhe mundësojnë shpejtësi më të larta të proceseve elektrokimike.

Sonda sonoelektrike: 2 transduktorë ultrasonikë vënë në lëkundje përkatësisht anodën dhe katodën. Sonoelektrodat ose sondat sonoelektrike veprojnë njëkohësisht si elektroda dhe sonda ultrasonike për elektroekstraktim të përmirësuar.

Nga xeherori te katoda: si funksionon sono-elektrodepozitimi

Elektroekstraktimi industrial zakonisht fillon me lixiviimin. Në këtë hap paraprak, metali i synuar tretet nga një xeheror, koncentrat, mbetje procesi, skorje, masë e zezë, mbetje elektronike ose lëndë tjetër e parë metalurgjike në një tretësirë ujore. Në varësi të metalit dhe përbërjes kimike të xeherorit, agjenti lixiviues mund të jetë acid, alkalin, me bazë kloruresh, me bazë sulfatesh, me bazë cianuresh, amoniakal, me bazë acidesh organike ose i përshtatur kimikisht në mënyra të tjera për të tretur fazën metalike me vlerë.
Pas lixiviimit, tretësira e pasuruar e lixiviimit zakonisht kthjellohet, pastrohet dhe i rregullohen pH-ja, përçueshmëria, temperatura, përqendrimi i metalit dhe profili i papastërtive. Në qelizën e elektroekstraktimit, ky elektrolit që përmban metal rrjedh midis një anode dhe një katode. Kur zbatohet një rrymë e kontrolluar, jonet metalike të tretura migrojnë dhe reduktohen në sipërfaqen e katodës, ku formojnë një depozitë metalike të ngurtë. Në sono-elektroekstraktim, ultratingujt futen në këtë mjedis elektrokimik në mënyrë që energjia akustike të intensifikojë transportin e joneve dhe ripërtëritjen e shtresës kufitare të elektrodës.

Me fjalë të thjeshta, rendi i procesit është si më poshtë:

• Lixiviimi: Metalet me vlerë treten nga xeherori ose lënda e parë dytësore dhe kalojnë në tretësirë.
• Kondicionimi i tretësirës: Tretësira e lixiviimit pastrohet ose rregullohet për të përmirësuar selektivitetin dhe sjelljen gjatë depozitimit.
• Depozitimi sonoelektrokimik: Ultratingujt dhe rryma elektrike veprojnë njëkohësisht në qelizën e elektroekstraktimit.
• Rikuperimi nga katoda: Depozitat metalike mblidhen në formë pllakash, pluhuri, sfungjeri, fletësh të holla ose formash të tjera depozitimi, në varësi të projektimit të procesit.
• Riqarkullimi i elektrolitit: Elektroliti i varfëruar mund të rigjenerohet, të riciklohet ose të rikthehet në qarkun hidrometalurgjik.

Pse sonikimi përmirëson elektroekstraktimin

Pengesa kryesore në shumë sisteme elektroekstraktimi nuk është vetëm vetë reaksioni elektrik. Ajo lidhet me furnizimin e sipërfaqes së katodës me jone të reja metalike, largimin e produkteve të reaksionit dhe të flluskave të gazit, si dhe ruajtjen e një ndërfaqeje aktive, të pastër dhe homogjene të elektrodës. Ultratingulli i trajton drejtpërdrejt këto kufizime.
Kur ultratingulli me fuqi të lartë hyn në elektrolit, ai krijon kavitacion akustik: formohen flluska mikroskopike, të cilat lëkunden dhe kolapsojnë. Këto kolapse krijojnë mikrorryma në formë currilash, valë goditëse dhe sforcime prerëse lokale intensive. Në përpunimin në fazë të lëngët, kjo mund të shkaktojë përzierje të lokalizuar, mikropërzierje, dispergim, deaglomerim dhe transport të përshpejtuar përmes ndërfaqes.
Teknologjia ultrasonike dhe sonoelektrike e Hielscher mbështetet në kavitacionin akustik të kontrolluar për përpunimin e lëngjeve, ku valët ultrasonike krijojnë fusha kavitacioni që prodhojnë sforcime prerëse, valë goditëse, mikrorryma në formë currilash dhe transferim të riprodhueshëm të energjisë në fluide, suspensione dhe llumra.
Në elektroekstraktim, këto efekte janë veçanërisht të vlefshme, sepse reaksioni elektrokimik ndodh në një sipërfaqe. Ultratingulli mund të zvogëlojë gradientët e përqendrimit pranë elektrodës, të ngjeshë ose të çrregullojë shtresën e difuzionit dhe të sjellë vazhdimisht jone të reja metalike në katodë. Punimet e fundit mbi transportin elektrokimik të masës të përforcuar me ultratinguj përshkruajnë rritjen e rrymës përmes ngjeshjes së shtresës së difuzionit të shkaktuar nga rrjedhja akustike, ndërsa kërkimet mbi elektrodepozitimin e asistuar me ultratinguj raportojnë përmirësim të transportit të joneve përmes kavitacionit, mikrorrjedhjes dhe efekteve të presionit akustik.

Sinergjia: sonikimi së bashku me elektrokiminë

Përparësia e sonoelektroekstraktimit nuk qëndron thjesht në faktin që ultratingulli e “përzien” tretësirën. Hielscher Sono-Electro-Probes kombinojnë sonda ultrasonike dhe elektroda që fusin njëkohësisht ultratinguj me intensitet të lartë dhe rrymë elektrike në një sistem elektrokimik. Këtu, çelësi është bashkëveprimi sinergjik i dy fushave të energjisë: energjia elektrike nxit reaksionin e reduktimit të joneve metalike, ndërsa energjia akustike përmirëson kushtet fizike dhe ato në ndërfaqe, në të cilat zhvillohet ky reaksion.
Kjo sinergji mund të sjellë disa përfitime me rëndësi industriale:

• Transferim më i lartë i masës: Sonikimi përmirëson furnizimin e sipërfaqes së katodës me jone metalike të tretura, duke zvogëluar shterimin lokal të tyre.
• Sipërfaqe më të pastra të elektrodave: Kavitacioni dhe rrjedhja akustike ndihmojnë në largimin e shtresave pasivizuese, grimcave të ngjitura dobët, flluskave të gazit dhe produkteve të reaksionit.
• Potencial për përmirësimin e rendimentit të rrymës: Një ndërfaqe më aktive e elektrodës mund të zvogëlojë humbjet që lidhen me polarizimin e përqendrimit dhe bllokimin e sipërfaqes, megjithëse rendimenti përfundimtar varet nga kimia e elektrolitit dhe parametrat e punës.
• Depozitim më i njëtrajtshëm: Elektrodepozitimi i asistuar me ultratinguj është lidhur me depozitime më të lëmuara, më të dendura e më të njëtrajtshme dhe me struktura kokrrizore më të imëta.
• Kinetikë më e shpejtë e elektrodepozitimit: Transferimi i përmirësuar i masës dhe aktivizimi i sipërfaqes mund të mundësojnë shpejtësi më të larta depozitimi në kushte të optimizuara.
• Kufizime të zvogëluara nga difuzioni: Duke çrregulluar shtresën kufitare pranë elektrodës, ultratingulli mund të mbështesë depozitim më të qëndrueshëm edhe kur përqendrimet e metaleve janë relativisht të ulëta.
• Trajtim më i mirë i elektroliteve komplekse: Përzierja me ultratinguj mund të mbështesë përpunimin e suspensioneve, grimcave të imëta dhe tretësirave të vështira për t’u përpunuar nga lixhivimi, duke përmirësuar dispergimin dhe duke zvogëluar stanjacionin e lokalizuar.

Kjo e bën sonoelektroekstraktimin veçanërisht tërheqës për qarqet hidrometalurgjike ku elektroekstraktimi konvencional kufizohet nga kinetika e ngadaltë, morfologjia e dobët e depozitimit, polarizimi i përqendrimit, ndotja e elektrodave, mbulimi me flluska gazi ose përqendrimi i ulët i joneve metalike.

Shpejtësitë e tretjes konvencionale kundrejt atyre sonoelektrokimike të elektrodave të Pt.
Studimi dhe grafikët: ©Vasile et al., 2021

Përfitimet industriale për nxjerrjen e metaleve

Për nxjerrjen industriale të metaleve, vlera e sonoelektroekstraktimit qëndron në intensifikimin e procesit. Potencialisht, mund të rikuperohet më shumë metal në një kohë më të shkurtër, me morfologji të përmirësuar të depozitës dhe funksionim më të qëndrueshëm të qelizës, me kusht që fuqia e sonikimit, gjeometria e elektrodave, përbërja e elektrolitit dhe dendësia e rrymës të përshtaten siç duhet me njëra-tjetrën.

Në aspektin praktik, sonoelektroekstraktimi mbështet:

• Rikuperimin nga lëngje lixivimi me përmbajtje të ulët metali: Transferimi më i mirë i masës mund të ndihmojë në ruajtjen e depozitimit kur përqendrimet e metaleve të tretura nuk janë ideale.
• Cilësi të përmirësuar të katodës: Depozitat më të lëmuara dhe më të njëtrajtshme mund të thjeshtojnë heqjen e mëtejshme të depozitës nga katoda, shkrirjen, rafinimin ose trajtimin e pluhurit.
• Prirje më të ulët për ndotje nga depozitimet: Rinovimi i vazhdueshëm i sipërfaqes mund të zvogëlojë ndikimin e pasivizimit dhe të shtresave sipërfaqësore të padëshiruara.
• Projektim më kompakt të procesit: Kinetika më e shpejtë mund të lejojë qeliza më të vogla ose kapacitet më të lartë përpunimi, në varësi të kimisë së procesit.
• Rikuperim të përmirësuar nga burimet dytësore: Masa e zezë e baterive, mbetjet elektronike, katalizatorët, skoriet dhe mbetjet industriale shpesh gjenerojnë tretësira komplekse lixivimi, ku transferimi i intensifikuar i masës është i vlefshëm.
• Kontrollueshmëri më të mirë të procesit: Sistemet moderne ultrasonike mund të integrohen në konfigurime me përpunim në seri ose me përpunim të vazhdueshëm në linjë dhe të rregullohen përmes amplitudës, kohës së qëndrimit, prurjes, temperaturës dhe energjisë së futur.

Sistemet sonoelektrike Hielscher janë unike: sonoelektroda vepron njëkohësisht si sondë ultrasonike dhe si elektrodë. Konfigurimet sonoelektrike janë projektuar për përpunimin e lëngjeve në shkallë të zgjerueshme, nga testimet laboratorike te funksionimi pilot dhe prodhimi industrial në linjë. Ultratingulli me fuqi të lartë, aftësia për funksionim të vazhdueshëm 24/7, qëndrueshmëria e nivelit industrial dhe kërkesat e ulëta për mirëmbajtje i bëjnë sistemet sonoelektrike Hielscher ideale për sonoelektroekstraktimin industrial.
Kalimi linear në shkallë më të madhe përmes parametrave të kontrolluar, si amplituda, energjia e futur, prurja, temperatura dhe koha e qëndrimit, lehtëson ndjeshëm rritjen e kapaciteteve të prodhimit.

Sonoelektroekstraktimi në zinxhirin lixivim–elektroekstraktim

Në një impiant hidrometalurgjik konvencional, elektroekstraktimi shpesh kryhet pas lixivimit, ndarjes së fazës së ngurtë nga ajo e lëngët, pastrimit dhe, ndonjëherë, ekstraktimit me tretës ose shkëmbimit jonik. Sonoelektroekstraktimi mund të integrohet në këtë fazë të mëtejshme të rikuperimit për të intensifikuar shndërrimin e joneve metalike të tretura në metal të ngurtë.

Një rrjedhë tipike e procesit mund të jetë si vijon:

1. Minerali i thërrmuar, koncentrati, mbetjet e pasurimit ose lënda e parë dytësore i nënshtrohen lixivimit për të tretur metalin e synuar.
2. Ganga e patretshme, lëndët e ngurta të mbetura dhe fazat e padëshiruara hiqen ose pakësohen.
3. Tretësira e lixivimit e pasuruar me metal rregullohet kimikisht për elektroekstraktim selektiv.
4. Elektroliti futet në një qelizë elektroekstraktimi të pajisur me sonoelektroda dhe sistem qarkullimi.
5. Sonikimi përmirëson transportin e joneve dhe rinovimin e sipërfaqes së elektrodës, ndërsa rryma e aplikuar e depoziton metalin mbi katodë.
6. Produkti metalik mblidhet dhe elektroliti riciklohet ose dërgohet për trajtim të mëtejshëm.

Ky kombinim është veçanërisht interesant kur industria e nxjerrjes së metaleve duhet të përpunojë burime më sfiduese. Shumë lëndë të para të ardhshme kanë përmbajtje më të ulët metali, më shumë papastërti, grimca më të imëta, përbërje kimike të përziera ose përbërje të ndryshueshme. Sonoelektroekstraktimi ofron një mënyrë për ta bërë fazën e rikuperimit elektrokimik më të qëndrueshme, duke përmirësuar ndërveprimin midis elektrolitit dhe sipërfaqes së elektrodës.

Rikuperimi sonoelektrokimik i metaleve: rendimente më të larta me kosto më të ulëta të procesit

Përftimi elektrolitik është tashmë një shtyllë e hidrometalurgjisë, sepse mund të rikuperojë metale nga tretësirat ujore në formën e produkteve të ngurta me vlerë të lartë. Përftimi sono-elektrolitik përmirëson elektroekstraktimin konvencional duke përmirësuar efikasitetin e rikuperimit, rendimentin e rrymës dhe konsumin e energjisë.
Efektet sinergjike të ultratingujve me fuqi të lartë dhe të përftimit elektrolitik trajtojnë kufizimet fizike të ndërfaqes elektrokimike dhe mundësojnë një rikuperim më intensiv, të kontrolluar dhe potencialisht më efikas të metaleve. Për veprimtaritë minerare, të riciklimit dhe metalurgjike, kjo teknologji ndihmon në kapërcimin e hendekut ndërmjet lëndëve të para gjithnjë e më komplekse dhe nevojës për rrugë ekstraktimi më të pastra, më përzgjedhëse dhe me kapacitet më të lartë përpunimi.

Përftimi sono-elektrolitik si mjet për intensifikimin e procesit

E ardhmja e ekstraktimit të metaleve do të varet nga rikuperimi i më shumë metali nga burime më të vështira për t’u përpunuar. Mineralet me përmbajtje të lartë metalesh po pakësohen në shumë rajone, ndërsa kërkesa për bakër, nikel, kobalt, metale të lidhura me litiumin, metale të çmuara dhe elemente të rralla po rritet. Njëkohësisht, industria po e zgjeron fokusin e saj nga mineralet parësore te burimet dytësore, si bateritë e konsumuara, skrapi elektronik, katalizatorët, mbetjet industriale dhe ujërat e procesit.
Përftimi sono-elektrolitik ofron një strategji bindëse për intensifikimin e procesit në këto rrethana. Duke kombinuar përzgjedhshmërinë e rikuperimit elektrokimik të metaleve me fuqinë e kavitacionit tejzanor në ndërfaqe, ai mund të përmirësojë transferimin e masës, aktivitetin e elektrodës, morfologjinë e depozitimit dhe qëndrueshmërinë e procesit. Për operatorët industrialë, kjo nënkupton një rrugë më të fuqishme nga jonet metalike të tretura përmes shpëlarjes kimike te produkti metalik i rikuperueshëm.
Shkurtimisht, përftimi sono-elektrolitik e shndërron sipërfaqen e katodës në një zonë reaksioni më dinamike. Trajtimi me ultratinguj e mban aktive ndërfaqen elektrokimike; elektrokimia i shndërron jonet e tretura në metal; dhe së bashku ato krijojnë një platformë të fuqishme për ekstraktimin hidrometalurgjik modern.

Sono-Electro-Probes dhe SonoElectroReactors me performancë të lartë

Hielscher Ultrasonics është partneri juaj me përvojë shumëvjeçare për sisteme tejzanore me performancë të lartë. Ne prodhojmë dhe shpërndajmë sonda dhe reaktorë tejzanorë të teknologjisë më të fundit, të cilët përdoren në mbarë botën për aplikime me ngarkesë të rëndë në mjedise kërkuese. Për sonoelektrokiminë, Hielscher ka zhvilluar sonda të posaçme tejzanore, të cilat mund të veprojnë si katodë dhe/ose anodë, si dhe qeliza reaktorësh tejzanorë të përshtatshme për reaksione elektrokimike. Elektrodat dhe qelizat tejzanore janë të disponueshme si për sisteme galvanike / voltaike, ashtu edhe për sisteme elektrolitike.
 

Na kontaktoni tani dhe na tregoni kërkesat e procesit tuaj elektrokimik! Ne do t’ju rekomandojmë elektrodat tejzanore dhe konfigurimin e reaktorit më të përshtatshëm!
 

Literatura / Referencat

• 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