Sono-elektrolytisk utvinning för industriell metallutvinning

I takt med att den globala efterfrågan på koppar, nickel, kobolt, zink, silver, guld, sällsynta metaller och batterirelaterade material fortsätter att öka, står metallproducenterna under press att utvinna mer värde ur malmer, koncentrat, gruvavfall, återvunnet material och råvaror med låg halt. Inom hydrometallurgin är elektrolytisk utvinning, även kallad elektroextraktion, en av de mest etablerade metoderna för metallutvinning: upplösta metalljoner utvinns från en lakningslösning genom att en elektrisk ström tillförs, vilket reducerar jonerna och avsätter metallen på en katod.

Sono-elektrolytisk utvinning för förbättrad hydrometallurgisk metallutvinning

Sono-elektrolytisk utvinning vidareutvecklar denna princip genom att kombinera elektrolytisk utvinning med högintensivt ultraljud. Resultatet blir en sonoelektrokemisk process där akustisk kavitation, mikroströmning och elektrokemisk reduktion samverkar. I stället för att enbart förlita sig på elektrisk potential och konventionell elektrolytcirkulation inför sono-elektrolytisk utvinning en intensiv lokal omrörning direkt vid eller nära elektrodgränssnittet, där metallavsättningen faktiskt sker. Det är allmänt känt att ultraljud förbättrar massöverföringen, stör diffusionsskiktet, rengör elektrodytorna, avlägsnar gasbubblor och möjliggör högre elektrokemiska hastigheter.

Sono-elektroder: Två ultraljudsgivare stimulerar anoden respektive katoden. Sono-elektroderna fungerar samtidigt som elektroder och ultraljudsgivare för att förbättra elektrolytisk utvinning.

Från malm till katod: Så fungerar sonoelektrodeposition

Industriell elektrolytisk utvinning inleds vanligtvis med utlakning. I detta inledande steg löses målmetallen ut från malm, koncentrat, processrester, slagg, svartmassa, elektroniskt avfall eller annat metallurgiskt utgångsmaterial till en vattenlösning. Beroende på metallens och malmens kemiska sammansättning kan utlakningsmedlet vara surt, alkaliskt, kloridbaserat, sulfatbaserat, cyanidbaserat, ammoniakhaltigt, baserat på organiska syror eller på annat sätt kemiskt anpassat för att lösa upp den värdefulla metallfasen.
Efter utlakningen klaras, renas och justeras den metallhaltiga utlakningslösningen vanligtvis med avseende på pH, konduktivitet, temperatur, metallkoncentration och föroreningsprofil. I elektrolysecellen flödar denna metallhaltiga elektrolyt mellan en anod och en katod. När en kontrollerad ström tillförs vandrar de upplösta metalljonerna och reduceras vid katodytan, där de bildar en fast metallavlagring. Vid sono-elektrolytisk utvinning tillförs ultraljud till denna elektrokemiska miljö, så att den akustiska energin intensifierar jonernas transport och förnyelsen av elektrodernas gränsskikt.

Enkelt uttryckt ser processförloppet ut enligt följande:

• Urlakning: Ädelmetaller löses ut ur malm eller sekundära råvaror till en lösning.
• Konditionering av lösningen: Utlakningsvätskan renas eller justeras för att förbättra selektiviteten och avsättningsbeteendet.
• Sonoelektrokemisk avsättning: Ultraljud och elektrisk ström verkar samtidigt i elektrolyscellen.
• Katodåtervinning: Metallavlagringar utvinns i form av plåt, pulver, svamp, folie eller andra former, beroende på processens utformning.
• Återcirkulation av elektrolyt: Den förbrukade elektrolyten kan regenereras, återvinnas eller återföras till det hydrometallurgiska kretsloppet.

Varför ultraljudsbehandling förbättrar elektrolytisk utvinning

Den främsta flaskhalsen i många elektrolytiska utvinningssystem är inte bara själva den elektriska reaktionen. Det handlar om tillförseln av färska metalljoner till katodytan, avlägsnandet av reaktionsprodukter och gasbubblor samt upprätthållandet av ett aktivt, rent och homogent elektrodgränssnitt. Ultraljud åtgärdar direkt dessa begränsningar.
När högfrekvent ultraljud tränger in i elektrolyten uppstår akustisk kavitation: mikroskopiska bubblor bildas, svänger och kollapsar. Dessa kollapser ger upphov till mikrostrålar, chockvågor och intensiv lokal skjuvning. Vid bearbetning i vätskefas kan detta leda till lokal blandning, mikroblandning, dispersion, upplösning av agglomerat och påskyndad transport över gränsytan.
Hielschers ultraljuds- och sono-elektroteknik bygger på kontrollerad akustisk kavitation för vätskebehandling, där ultraljudsvågor genererar kavitationsfält som alstrar skjuvning, chockvågor, mikrostrålar och reproducerbar energiöverföring till vätskor, suspensioner och slam.
Vid elektrolytisk utvinning är dessa effekter särskilt värdefulla eftersom den elektrokemiska reaktionen sker vid en yta. Ultraljud kan minska koncentrationsgradienterna nära elektroden, komprimera eller bryta upp diffusionsskiktet och kontinuerligt tillföra nya metalljoner till katoden. Nyare forskning om ultraljudsförstärkt elektrokemisk massöverföring beskriver strömförstärkning genom komprimering av diffusionsskiktet som drivs av akustisk strömning, medan forskning om ultraljudsassisterad elektrodeposition rapporterar förbättrad jonöverföring genom kavitation, mikrofödo och akustiska tryckeffekter.

Synergien: Ultraljud i kombination med elektrokemin

Fördelen med sono-elektrolytisk utvinning ligger inte enbart i att ultraljud “rör om” Lösningen. Hielschers Sono-Electro-Probes kombinerar ultraljudssonder och elektroder som samtidigt tillför högintensivt ultraljud och elektrisk ström till ett elektrokemiskt system. Nyckeln är här den synergetiska kopplingen mellan två energifält: elektrisk energi driver reduktionsreaktionen av metalljoner, medan akustisk energi förbättrar de fysiska förhållandena och gränsskiktsförhållandena under vilka reaktionen äger rum.
Denna synergi kan ge flera fördelar av industriell betydelse:

• Ökad massöverföring: Ultraljudsbehandling förbättrar tillförseln av upplösta metalljoner till katodytan, vilket minskar den lokala utarmningen.
• Renare elektrodytor: Kavitation och akustisk strömning bidrar till att avlägsna passiveringsskikt, löst sittande partiklar, gasbubblor och reaktionsprodukter.
• Möjlighet till förbättrad strömeffektivitet: Ett mer aktivt elektrodgränssnitt kan minska förlusterna till följd av koncentrationspolarisering och ytblockering, även om den slutliga verkningsgraden beror på elektrolytens kemiska sammansättning och driftsparametrarna.
• Mer jämn avsättning: Ultraljudsassisterad elektrodeposition har visat sig ge jämnare, tätare och mer enhetliga avlagringar samt finare kornstrukturer.
• Snabbare elektrodepositionskinetik: Förbättrad massöverföring och ytaktivering kan möjliggöra högre avsättningshastigheter under optimerade förhållanden.
• Begränsningar vid reducerad diffusion: Genom att påverka gränsskiktet vid elektroden kan ultraljud bidra till en jämnare avsättning även när metallkoncentrationerna är relativt låga.
• Bättre hantering av komplexa elektrolyter: Ultraljudsomrörning kan underlätta bearbetningen av suspensioner, fina partiklar och svårbehandlade utlakningsvätskor genom att förbättra dispersionen och minska lokaliserad stillastående vätska.

Detta gör sono-elektrolytisk utvinning särskilt attraktiv för hydrometallurgiska processer där konventionell elektrolytisk utvinning begränsas av långsam kinetik, dålig avlagringsmorfologi, koncentrationspolarisering, elektrodeförorening, gasbubbelbeläggning eller låg metalljonkoncentration.

Konventionella upplösningshastigheter jämfört med sonoelektrokemiska upplösningshastigheter för Pt-elektroder.
Studie och diagram: ©Vasile m.fl., 2021

Industriella fördelar vid metallutvinning

Vid industriell utvinning av metaller ligger fördelen med sono-elektrolytisk utvinning i processintensifieringen. Det är möjligt att utvinna mer metall på kortare tid, med förbättrad morfologi hos avlagringarna och en stabilare celldrift, förutsatt att ultraljudseffekten, elektrodgeometrin, elektrolytens sammansättning och strömtätheten är korrekt avstämda.

I praktiken bidrar sono-elektrolytisk utvinning till:

• Återvinning från lågkoncentrerade utlakningsvätskor: En bättre massöverföring kan bidra till att upprätthålla avsättningen även när koncentrationerna av löst metall inte är optimala.
• Förbättrad katodkvalitet: Jämnare och mer enhetliga avlagringar kan underlätta efterföljande avskiljning, smältning, raffinering eller pulverhantering.
• Mindre benägenhet att bilda beläggningar: Kontinuerlig ytförnyelse kan minska effekterna av passivering och oönskade ytbeläggningar.
• En mer kompakt processutformning: En snabbare reaktionshastighet kan möjliggöra användning av mindre celler eller högre genomströmning, beroende på processens kemiska egenskaper.
• Förbättrad utvinning från sekundära resurser: Svartmassa från batterier, elektroniskt avfall, katalysatorer, slagg och industriella restprodukter ger ofta upphov till komplexa utlakningslösningar där en intensifierad massöverföring är värdefull.
• Bättre processkontroll: Moderna ultraljudssystem kan integreras i både satsvisa och kontinuerliga inline-anläggningar och justeras med hjälp av amplitud, uppehållstid, flödeshastighet, temperatur och energitillförsel.

Hielschers sono-elektro-system är unika: Sono-elektroden fungerar samtidigt som ultraljudssond och elektrod. Sono-elektro-systemen är utformade för skalbar vätskebehandling, från laboratorietester till pilotdrift och industriell inline-produktion. Högpresterande ultraljud, möjlighet till kontinuerlig drift dygnet runt, robusthet i industriell klass och lågt underhållsbehov gör Hielschers sono-elektro-system idealiska för industriell sono-elektrolytisk utvinning.
En linjär uppskalning genom kontrollerade parametrar såsom amplitud, energitillförsel, flödeshastighet, temperatur och uppehållstid möjliggör en betydande ökning av produktionskapaciteten.

Sono-elektrolytisk utvinning i kedjan för utlakning–elektrolytisk utvinning

I en konventionell hydrometallurgisk anläggning sker elektrolytisk utvinning ofta efter utlakning, separation av fasta ämnen och vätska, rening och ibland lösningsmedelsextraktion eller jonbyte. Sono-elektrolytisk utvinning kan integreras i detta efterföljande återvinningssteg för att effektivisera omvandlingen av upplösta metalljoner till fast metall.

En typisk processkedja kan se ut så här:

1. Krossad malm, koncentrat, gruvavfall eller sekundära råvaror utlakas för att lösa upp målmetallen.
2. Olöslig gangart, kvarvarande fasta ämnen och oönskade faser avlägsnas eller minskas.
3. Den mättade leachlösningen justeras kemiskt för selektiv elektrolytisk utvinning.
4. Elektrolyten tillförs en elektrolytisk cell som är utrustad med sonoelektroder och cirkulationssystem.
5. Ultraljudsbehandling förbättrar jontransporten och förnyar elektrodytan, samtidigt som den tillförda strömmen får metallen att avsättas på katoden.
6. Metallprodukten utvinns, och elektrolyten återvinns eller skickas vidare för ytterligare behandling.

Denna kombination är särskilt intressant i de fall där metallutvinningsindustrin behöver bearbeta mer krävande råvaror. Många framtida råvaror innehåller lägre metallhalter, fler föroreningar, finare partiklar, blandade kemiska sammansättningar eller varierande sammansättning. Sono-elektrolytisk utvinning erbjuder en metod för att göra det elektrokemiska utvinningssteget mer robust genom att förbättra växelverkan mellan elektrolyten och elektrodytan.

Sono-elektrokemisk metallåtervinning: högre utbyten till lägre processkostnader

Elektroutvinning är redan en hörnsten inom hydrometallurgin, eftersom den gör det möjligt att utvinna metaller ur vattenlösningar i form av högvärdiga fasta produkter. Sono-elektroutvinning förbättrar den konventionella elektroextraktionen genom att öka utvinningsgraden, strömeffektiviteten och minska energiförbrukningen.
De synergistiska effekterna av kraftfullt ultraljud och elektrolytisk utvinning övervinner de fysiska begränsningarna i det elektrokemiska gränssnittet och möjliggör en mer intensiv, kontrollerad och potentiellt effektivare metallutvinning. Inom gruvdrift, återvinning och metallurgi bidrar tekniken till att överbrygga klyftan mellan allt mer komplexa råvaror och behovet av renare, mer selektiva utvinningsmetoder med högre genomströmning.

Sono-elektrolytisk utvinning som verktyg för processintensifiering

Framtiden för metallutvinning kommer att bero på att man lyckas utvinna mer metall ur svårare råvarukällor. Förekomsterna av höghaltiga malmer minskar i många regioner, samtidigt som efterfrågan på koppar, nickel, kobolt, litiumrelaterade metaller, ädelmetaller och sällsynta grundämnen ökar. Samtidigt breddar branschen sitt fokus från primärmalmer till sekundära resurser såsom uttjänta batterier, elektroniskt skrot, katalysatorer, industriavfall och processvatten.
Sono-elektrolytisk utvinning utgör en övertygande strategi för processintensifiering inom detta område. Genom att kombinera selektiviteten hos elektrokemisk metallåtervinning med gränsskiktskraften hos ultraljudskavitation kan man förbättra massöverföringen, elektrodaktiviteten, avlagringarnas morfologi och processens robusthet. För industriella aktörer innebär detta en effektivare väg från utlakade metalljoner till återvinningsbar metallprodukt.
Kort sagt förvandlar sono-elektrolytisk utvinning katodytan till en mer dynamisk reaktionszon. Ultraljudsbehandlingen håller det elektrokemiska gränssnittet aktivt; den elektrokemiska processen omvandlar upplösta joner till metall; och tillsammans skapar de en kraftfull plattform för modern hydrometallurgisk utvinning.

Högpresterande sono-elektro-sonder och sono-elektro-reaktorer

Hielscher Ultrasonics är din långvariga erfarna partner för högpresterande ultraljudssystem. Vi tillverkar och distribuerar toppmoderna ultraljudssonder och reaktorer, som används över hela världen för tunga applikationer i krävande miljöer. För sonoelektrokemi har Hielscher utvecklat speciella ultraljudssonder, som kan fungera som katod och/eller anod, samt ultraljudsreaktorceller som är lämpliga för elektrokemiska reaktioner. Ultraljudselektroder och celler finns tillgängliga för galvaniska/voltaiska samt elektrolytiska system.
 

Kontakta oss nu och berätta om dina krav på elektrokemiska processer! Vi kommer att rekommendera dig de mest lämpliga ultraljudselektroderna och reaktoruppsättningen!
 

Litteratur / Referenser

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Att göra ädelmetaller billiga: En sonoelektrokemisk – hydrodynamisk kavitationsmetod för återvinning av platinagruppmetaller från förbrukade bilkatalysatorer. Ultrasonics Sonochemistry, volym 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): Sono-Hydro-Gen-processen (ultraljudsinducerad vätgasproduktion): Utmaningar och möjligheter. International Journal of Hydrogen Energy, volym 44, nummer 29, 2019, 14500–14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): En studie med cyklisk voltammetri av elektrodeposition av Cu-Zn-legeringsfilmer: Effekten av ultraljudsbehandlingstidenActa Physica Polonica, vol. 132, 2017. s. 1087–1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): En introduktion till sonoelektrokemi I: Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution, första upplagan. Redigerad av Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, Ltd.
• Haas, I.: Tankar A. (2008): Syntes av nanopartiklar av metalliskt magnesium med hjälp av sonoelektrokemi. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795–1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri, R. (2014): Sonoelektrokemisk och elektrokemisk syntes av polypyrrolfilmer på St-12-stål samt undersökningar av deras korrosion och morfologi. Advances in Polymer Technology, vol. 33, nr 3; 2014.
• Sono-elektrokemisk syntes förbättrar effektiviteten i kemikalietillverkningen