Ултразвучно потпомогнуто електролитичко издвајање за индустријску екстракцију метала

Како глобална потражња за бакром, никлом, кобалтом, цинком, сребром, златом, ретким металима и материјалима значајним за батерије наставља да расте, произвођачи метала су под притиском да из руда, концентрата, јаловине, токова рециклаже и сировина са ниским садржајем метала извуку већу вредност. У хидрометалургији, један од најутемељенијих поступака добијања метала јесте електролитичко издвајање, познато и као електроекстракција: растворени јони метала издвајају се из раствора добијеног лужењем применом електричне струје, која редукује јоне и таложи метал на катоди.

Ултразвучно потпомогнуто електролитичко издвајање за побољшано хидрометалуршко добијање метала

Ултразвучно потпомогнуто електролитичко издвајање унапређује овај принцип комбиновањем електролитичког издвајања са ултразвуком високог интензитета. Резултат је соноелектрохемијски процес у којем акустична кавитација, микрострујање и електрохемијска редукција делују заједно. Уместо ослањања само на електрични потенцијал и конвенционалну циркулацију електролита, ултразвучно потпомогнуто електролитичко издвајање уводи интензивно локално мешање непосредно на међуфазној површини електроде или у њеној близини, где се таложење метала заправо одвија. У литератури се широко наводи да ултразвук побољшава пренос масе, ремети дифузиони слој, чисти површине електрода, уклања мехуриће гаса и омогућава веће брзине електрохемијских реакција.

Соноелектрохемијске сонде: 2 ултразвучна претварача побуђују вибрације аноде и катоде, сваки на одговарајућој електроди. Соноелектроде, односно соноелектрохемијске сонде, истовремено делују као електроде и ултразвучне сонде ради побољшаног електролитичког издвајања метала.

Од руде до катоде: како функционише ултразвучно потпомогнуто електроталожење

Индустријско електролитичко издвајање метала обично почиње лужењем. У овом претходном кораку, циљни метал се раствара из руде, концентрата, процесног остатка, шљаке, црне масе, електронског отпада или друге металуршке сировине и прелази у водени раствор. У зависности од метала и хемијског састава руде, средство за лужење може бити кисело, алкално, на бази хлорида, сулфата, цијанида, амонијака, органских киселина или на други начин хемијски прилагођено растварању вредне металне фазе.
После лужења, раствор обогаћен металима добијен лужењем обично се бистри, пречишћава и подешава у погледу pH вредности, проводљивости, температуре, концентрације метала и састава нечистоћа. У ћелији за електролитичко издвајање, овај електролит који садржи метал протиче између аноде и катоде. Када се примени контролисана струја, растворени јони метала мигрирају и редукују се на површини катоде, где формирају чврст метални талог. При ултразвучно потпомогнутом електролитичком издвајању, ултразвук се уводи у ово електрохемијско окружење тако да акустична енергија интензивира транспорт јона и обнављање граничног слоја уз електроду.

Једноставно речено, редослед корака у процесу је следећи:

• Лужење: Вредни метали се растварају из руде или секундарне сировине и прелазе у раствор.
• Кондиционирање раствора: Раствор добијен лужењем се пречишћава или подешава ради побољшања селективности и карактеристика таложења.
• Соноелектрохемијско таложење: Ултразвук и електрична струја делују истовремено у ћелији за електролитичко издвајање метала.
• Прикупљање катодног метала: Метални талози се прикупљају у облику плоча, праха, сунђера, фолије или других облика талога, у зависности од пројектованог процеса.
• Рециркулација електролита: Осиромашени електролит може се регенерисати, рециклирати или вратити у хидрометалуршки круг.

Зашто соникација побољшава електролитичко издвајање метала

Главно уско грло у многим системима за електролитичко издвајање метала није само електрохемијска реакција. Оно обухвата довод свежих јона метала до површине катоде, уклањање производа реакције и мехурића гаса, као и одржавање активне, чисте и хомогене међуфазне површине електроде. Ултразвук непосредно делује на ова ограничења.
Када ултразвук велике снаге уђе у електролит, ствара акустичку кавитацију: микроскопски мехурићи се формирају, осцилују и урушавају. Ова урушавања стварају микромлазеве, ударне таласе и интензивно локално смицање. При обради у течној фази то може да доведе до локализованог мешања, микромешања, дисперговања, деагломерације и убрзаног међуфазног преноса.
Ултразвучна и соноелектрохемијска технологија компаније Hielscher заснива се на контролисаној акустичкој кавитацији за обраду течности, при којој ултразвучни таласи стварају кавитациона поља која изазивају смицање, ударне таласе, микромлазеве и поновљив пренос енергије у флуиде, суспензије и муљеве.
При електролитичком издвајању метала ови ефекти су посебно драгоцени јер се електрохемијска реакција одвија на површини. Ултразвук може да смањи градијенте концентрације у близини електроде, стањи или наруши дифузиони слој и непрекидно доводи свеже јоне метала до катоде. Новија истраживања електрохемијског преноса масе побољшаног ултразвуком описују повећање јачине струје услед стањивања дифузионог слоја изазваног акустичким струјањем, док истраживања електроталожења потпомогнутог ултразвуком наводе побољшан транспорт јона захваљујући кавитацији, микрострујању и ефектима акустичког притиска.

Синергија: соникација и електрохемија

Предност соноелектролитичког издвајања метала није само у томе што ултразвук „меша“ раствор. Hielscher Sono-Electro-Probes обједињују ултразвучне сонде и електроде које истовремено уводе ултразвук високог интензитета и електричну струју у електрохемијски систем. При томе је кључно синергијско спрезање два енергетска поља: електрична енергија покреће реакцију редукције јона метала, док акустичка енергија побољшава физичке и међуфазне услове у којима се та реакција одвија.
Ова синергија може да донесе неколико предности значајних за индустрију:

• Повећан пренос масе: Соникација побољшава довод растворених јона метала до површине катоде, смањујући локално осиромашење.
• Чистије површине електрода: Кавитација и акустичко струјање помажу у уклањању пасивирајућих филмова, слабо везаних честица, мехурића гаса и производа реакције.
• Могућност повећања струјног искоришћења: Активнија међуфазна површина електроде може да смањи губитке повезане са концентрационом поларизацијом и блокирањем површине, иако коначно искоришћење зависи од хемијског састава електролита и радних параметара.
• Равномерније таложење: Електроталожење потпомогнуто ултразвуком повезује се са глаткијим, гушћим и равномернијим талозима и ситнозрнијим структурама.
• Бржа кинетика електроталожења: Побољшан пренос масе и активација површине могу да омогуће веће брзине таложења у оптимизованим условима.
• Смањена дифузиона ограничења: Нарушавањем граничног слоја на електроди, ултразвук може да допринесе уједначенијем таложењу чак и када су концентрације метала релативно ниске.
• Лакша обрада сложених електролита: Ултразвучно мешање може да олакша обраду суспензија, финих честица и тешко обрадивих раствора лужења побољшањем дисперговања и смањењем локализованог застоја струјања.

То чини соноелектролитичко издвајање метала посебно привлачним за хидрометалуршке кругове у којима је конвенционално електролитичко издвајање метала ограничено спором кинетиком, лошом морфологијом талога, концентрационом поларизацијом, запрљањем електрода, прекривеношћу мехурићима гаса или ниском концентрацијом јона метала.

Поређење брзина конвенционалног и соноелектрохемијског растварања Pt електрода.
Студија и графикони: ©Vasile et al., 2021

Индустријске предности при екстракцији метала

При индустријској екстракцији метала, вредност соноелектролитичког издвајања метала лежи у интензивирању процеса. Потенцијално се може издвојити више метала за краће време, уз побољшану морфологију талога и стабилнији рад ћелије, под условом да су снага соникације, геометрија електрода, састав електролита и густина струје правилно усклађени.

У практичном смислу, соноелектролитичко издвајање метала омогућава:

• Издвајање метала из раствора након лужења са ниским садржајем метала: Бољи пренос масе може помоћи у одржавању таложења када концентрације растворених метала нису идеалне.
• Побољшан квалитет катоде: Глаткији и уједначенији талози могу поједноставити накнадно скидање талога, топљење, рафинацију или руковање прахом.
• Мања склоност ка запрљању: Непрекидно обнављање површине може смањити утицај пасивизације и нежељених површинских филмова.
• Компактније пројектовање процеса: Бржа кинетика може омогућити употребу мањих ћелија или већи производни капацитет, у зависности од хемије процеса.
• Побољшано издвајање метала из секундарних ресурса: Црна маса из батерија, електронски отпад, катализатори, шљаке и индустријски остаци често дају сложене растворе након лужења, у којима је интензивиран пренос масе драгоцен.
• Боља управљивост процеса: Савремени ултразвучни системи могу се интегрисати у шаржна или континуална проточна постројења и подешавати преко амплитуде, времена задржавања, протока, температуре и уноса енергије.

Соноелектрохемијски системи Hielscher су јединствени: соноелектрода истовремено делује као ултразвучна сонда и електрода. Соноелектрохемијска постројења пројектована су за скалабилну обраду течности, од лабораторијских испитивања до пилотског рада и индустријске проточне производње. Ултразвук велике снаге, могућност непрекидног рада 24/7, робусност за индустријске услове и мали захтеви за одржавањем чине соноелектрохемијске системе Hielscher идеалним за индустријско соноелектролитичко издвајање метала.
Линеарно повећање размере процеса уз контролисане параметре као што су амплитуда, унос енергије, проток, температура и време задржавања значајно олакшава повећање производних капацитета.

Соноелектролитичко издвајање метала у ланцу лужење–електролитичко издвајање метала

У конвенционалном хидрометалуршком постројењу, електролитичко издвајање метала често следи након лужења, раздвајања чврсте и течне фазе, пречишћавања, а понекад и екстракције растварачем или јонске измене. Соноелектролитичко издвајање метала може се интегрисати у овај накнадни корак издвајања како би се интензивирало претварање растворених јона метала у чврст метал.

Типичан ток процеса може изгледати овако:

1. Уситњена руда, концентрат, јаловина или секундарна сировина подвргава се лужењу ради растварања циљног метала.
2. Нерастворљиви јаловински минерали, преостале чврсте материје и нежељене фазе уклањају се или се њихова количина смањује.
3. Раствор обогаћен металом након лужења хемијски се подешава за селективно електролитичко издвајање метала.
4. Електролит се доводи у ћелију за електролитичко издвајање метала опремљену соноелектродама и системом за циркулацију.
5. Соникација побољшава транспорт јона и обнављање површине електроде, док примењена струја таложи метал на катоди.
6. Метални производ се сакупља, а електролит се рециклира или шаље на даљу обраду.

Ова комбинација је посебно занимљива тамо где индустрија екстракције метала треба да прерађује захтевније ресурсе. Многе будуће сировине имају нижи садржај метала, више нечистоћа, ситније честице, мешовите хемијске карактеристике или променљив састав. Соноелектролитичко издвајање метала нуди начин да се корак електрохемијског издвајања учини робуснијим побољшањем интеракције између електролита и површине електроде.

Соноелектрохемијско издвајање метала: већи приноси уз ниже трошкове процеса

Електролитичко издвајање метала већ је један од темеља хидрометалургије јер омогућава добијање метала из водених раствора у облику чврстих производа високе вредности. Соноелектролитичко издвајање метала унапређује конвенционалну електроекстракцију побољшањем ефикасности издвајања, струјне ефикасности и потрошње енергије.
Синергијски ефекти ултразвука велике снаге и електролитичког издвајања метала превазилазе физичка ограничења електрохемијске међуфазне површине и омогућавају интензивније, контролисаније и потенцијално ефикасније издвајање метала. У рударству, рециклажи и металуршким операцијама ова технологија помаже да се премости јаз између све сложенијих улазних сировина и потребе за чистијим, селективнијим поступцима екстракције већег капацитета.

Соноелектролитичко издвајање метала као средство за интензификацију процеса

Будућност екстракције метала зависиће од добијања већих количина метала из ресурса који се теже прерађују. У многим регионима смањују се залихе руда са високим садржајем метала, док потражња за бакром, никлом, кобалтом, металима повезаним са литијумом, племенитим металима и ретким елементима расте. Истовремено, индустрија проширује свој фокус са примарних руда на секундарне ресурсе као што су истрошене батерије, електронски отпад, катализатори, индустријски остаци и процесне воде.
Соноелектролитичко издвајање метала нуди привлачну стратегију интензификације процеса у овим условима. Комбиновањем селективности електрохемијског издвајања метала са снажним деловањем ултразвучне кавитације на међуфазној површини, оно може побољшати пренос масе, активност електрода, морфологију талога и робусност процеса. За индустријске оператере то значи поузданији пут од јона метала добијених лужењем до металног производа који се може издвојити.
Укратко, соноелектролитичко издвајање метала претвара површину катоде у динамичнију реакциону зону. Соникација одржава електрохемијску међуфазну површину активном; електрохемија претвара растворене јоне у метал; а заједно стварају моћну платформу за савремену хидрометалуршку екстракцију.

Sono-Electro-Probes и SonoElectroReactors високих перформанси

Hielscher Ultrasonics је ваш партнер са дугогодишњим искуством у области ултразвучних система високих перформанси. Производимо и дистрибуирамо најсавременије ултразвучне сонде и реакторе, који се широм света користе за примене са великим оптерећењем у захтевним окружењима. За соноелектрохемију, Hielscher је развио специјалне ултразвучне сонде које могу деловати као катода и/или анода, као и ултразвучне реакторске ћелије погодне за електрохемијске реакције. Ултразвучне електроде и ћелије доступне су за галванске / волтине, као и за електролитичке системе.
 

Контактирајте нас сада и реците нам какви су захтеви вашег електрохемијског процеса! Препоручићемо вам најпогодније ултразвучне електроде и конфигурацију реактора!
 

Литература / Референце

• 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