Ultraljudsassisterad elektrolytisk metallutvinning för industriell metallutvinning

När den globala efterfrågan på koppar, nickel, kobolt, zink, silver, guld, sällsynta metaller och material av betydelse för batterier fortsätter att öka, pressas metallproducenter att återvinna mer värde ur malmer, koncentrat, anrikningsavfall, återvunna materialströmmar och råvaror med låg metallhalt. Inom hydrometallurgin är elektrolytisk metallutvinning, även kallad elektroextraktion, en av de mest etablerade metoderna för metallåtervinning: lösta metalljoner återvinns ur en laklösning genom att en elektrisk ström appliceras, vilket reducerar jonerna och avsätter metallen på en katod.

Ultraljudsassisterad elektrolytisk metallutvinning för förbättrad hydrometallurgisk metallåtervinning

Ultraljudsassisterad elektrolytisk metallutvinning vidareutvecklar denna princip genom att kombinera elektrolytisk metallutvinning med högintensivt ultraljud. Resultatet är en sonoelektrokemisk process där akustisk kavitation, mikroströmning och elektrokemisk reduktion samverkar. I stället för att enbart förlita sig på elektrisk potential och konventionell elektrolytcirkulation tillför ultraljudsassisterad elektrolytisk metallutvinning intensiv lokal blandning direkt vid eller nära elektrodens gränsyta, där metallavsättningen faktiskt sker. Det rapporteras i stor omfattning att ultraljud förbättrar masstransporten, stör diffusionsskiktet, rengör elektrodytor, avlägsnar gasbubblor och främjar högre elektrokemiska reaktionshastigheter.

Sonoelektrosonder: 2 ultraljudsomvandlare sätter anoden respektive katoden i rörelse. Sonoelektroderna eller sonoelektrosonderna fungerar samtidigt som elektroder och ultraljudssonder för förbättrad elektrolytisk metallutvinning.

Från malm till katod: så fungerar sonoelektroavsättning

Industriell elektrolytisk metallutvinning börjar vanligtvis med lakning. I detta föregående processteg löses målmetallen ut ur malm, koncentrat, processrester, slagg, svart massa, elektronikavfall eller annan metallurgisk råvara till en vattenlösning. Beroende på metallens och malmens kemi kan lakmedlet 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 lakningen klaras och renas den metallrika laklösningen vanligtvis, och dess pH, konduktivitet, temperatur, metallkoncentration och föroreningsprofil justeras. I cellen för elektrolytisk metallutvinning strömmar denna metallhaltiga elektrolyt mellan en anod och en katod. När en kontrollerad ström appliceras migrerar de lösta metalljonerna och reduceras vid katodytan, där de bildar en fast metallisk beläggning. Vid ultraljudsassisterad elektrolytisk metallutvinning tillförs ultraljud till denna elektrokemiska miljö så att den akustiska energin intensifierar jontransporten och förnyelsen av elektrodens gränsskikt.

Enkelt uttryckt är processföljden följande:

• Lakning: Värdefulla metaller löses ut ur malm eller sekundär råvara till en lösning.
• Konditionering av lösningen: Laklösningen renas eller justeras för att förbättra selektiviteten och avsättningsbeteendet.
• Sonoelektrokemisk avsättning: Ultraljud och elektrisk ström verkar samtidigt i cellen för elektrolytisk metallutvinning.
• Återvinning av katodmetall: Metallavsättningar tas till vara som plåtar, pulver, svamp, folie eller andra avsättningsformer beroende på processens utformning.
• Återcirkulation av elektrolyten: Den utarmade elektrolyten kan regenereras, återvinnas eller återföras till den hydrometallurgiska kretsen.

Varför ultraljudsbehandling förbättrar elektrolytisk metallutvinning

Den huvudsakliga flaskhalsen i många system för elektrolytisk metallutvinning är inte bara själva den elektriska reaktionen. Den handlar om tillförseln av nya metalljoner till katodytan, avlägsnandet av reaktionsprodukter och gasbubblor samt upprätthållandet av en aktiv, ren och homogen elektrodgränsyta. Ultraljud motverkar direkt dessa begränsningar.
När ultraljud med hög effekt tillförs elektrolyten skapar det akustisk kavitation: mikroskopiska bubblor bildas, oscillerar och kollapsar. Dessa kollapser genererar mikrostrålar, stötvågor och intensiv lokal skjuvning. Vid bearbetning i vätskefas kan detta ge lokal blandning, mikroblandning, dispergering, deagglomerering och snabbare transport över gränsytor.
Hielschers ultraljudsteknik och sonoelektroteknik är inriktad på kontrollerad akustisk kavitation för vätskebearbetning, där ultraljudsvågor genererar kavitationsfält som ger upphov till skjuvning, stötvågor, mikrostrålar och reproducerbar energiöverföring till vätskor, suspensioner och slurryer.
Vid elektrolytisk metallutvinning är dessa effekter särskilt värdefulla eftersom den elektrokemiska reaktionen sker vid en yta. Ultraljud kan minska koncentrationsgradienterna nära elektroden, komprimera eller störa diffusionsskiktet och kontinuerligt föra nya metalljoner till katoden. Nyare arbeten om ultraljudsförstärkt elektrokemisk masstransport beskriver hur strömmen ökar genom komprimering av diffusionsskiktet som drivs av akustisk strömning, medan forskning om ultraljudsassisterad elektrolytisk utfällning rapporterar förbättrad jontransport genom kavitation, mikroflöden och akustiska tryckeffekter.

Synergin: ultraljudsbehandling plus elektrokemi

Fördelen med ultraljudsassisterad elektrolytisk metallutvinning är inte enbart att ultraljudet ”rör om” lösningen. Hielscher Sono-Electro-Probes kombinerar ultraljudssonder och elektroder som samtidigt tillför högintensivt ultraljud och elektrisk ström till ett elektrokemiskt system. Nyckeln är här den synergistiska kopplingen mellan två energifält: elektrisk energi driver reduktionsreaktionen för metalljoner, medan akustisk energi förbättrar de fysikaliska förhållandena och förhållandena vid gränsytan där reaktionen sker.
Denna synergi kan ge flera industriellt relevanta fördelar:

• Ökad massöverföring: Ultraljudsbehandling förbättrar tillförseln av lösta metalljoner till katodytan och minskar därmed lokal utarmning.
• Renare elektrodytor: Kavitation och akustisk strömning hjälper till att avlägsna passiverande skikt, löst sittande partiklar, gasbubblor och reaktionsprodukter.
• Ökad potential för förbättrat strömutbyte: En mer aktiv elektrodgränsyta kan minska förluster förknippade med koncentrationspolarisation och blockering av ytan, även om det slutliga strömutbytet beror på elektrolytens kemi och driftparametrarna.
• Jämnare utfällning: Ultraljudsassisterad elektrolytisk utfällning har förknippats med slätare, tätare och jämnare avlagringar samt mer finkorniga strukturer.
• Snabbare kinetik vid elektrolytisk utfällning: Förbättrad massöverföring och ytaktivering kan möjliggöra högre utfällningshastigheter under optimerade förhållanden.
• Minskade diffusionsbegränsningar: Genom att störa gränsskiktet vid elektroden kan ultraljud bidra till en mer konsekvent utfällning även när metallkoncentrationerna är relativt låga.
• Bättre hantering av komplexa elektrolyter: Omrörning med ultraljud kan underlätta bearbetningen av suspensioner, fina partiklar och svårhanterliga lakvätskor genom att förbättra dispergeringen och minska lokal stagnation.

Detta gör ultraljudsassisterad elektrolytisk metallutvinning särskilt attraktiv för hydrometallurgiska processkretsar där konventionell elektrolytisk metallutvinning begränsas av långsam kinetik, bristfällig avlagringsmorfologi, koncentrationspolarisation, beläggningar på elektroderna, täckning med gasbubblor eller låg metalljonkoncentration.

Konventionella respektive sonoelektrokemiska upplösningshastigheter för Pt-elektroder.
Studie och diagram: ©Vasile et al., 2021

Industriella fördelar för metallutvinning

Vid industriell utvinning av metaller ligger värdet av sonoelektrolytisk metallutvinning i processintensifieringen. Mer metall kan potentiellt återvinnas på kortare tid, med förbättrad avlagringsmorfologi och stabilare celldrift, förutsatt att ultraljudseffekten, elektrodgeometrin, elektrolytsammansättningen och strömtätheten är korrekt anpassade till varandra.

I praktiken bidrar sonoelektrolytisk metallutvinning till följande:

• Återvinning ur laklösningar med låg metallhalt: Bättre massöverföring kan bidra till att upprätthålla avsättningen när koncentrationerna av lösta metaller inte är idealiska.
• Förbättrad katodkvalitet: Slätare och jämnare avlagringar kan förenkla efterföljande avskiljning från katoden, smältning, raffinering eller pulverhantering.
• Minskad tendens till beläggningsbildning: Kontinuerlig ytförnyelse kan minska inverkan av passivering och oönskade ytfilmer.
• Mer kompakt processutformning: Snabbare kinetik kan möjliggöra mindre celler eller högre genomströmning, beroende på processkemin.
• Förbättrad återvinning ur sekundära resurser: Svartmassa från batterier, elektronikavfall, katalysatorer, slagg och industriella restprodukter ger ofta upphov till komplexa laklösningar där intensifierad massöverföring är värdefull.
• Bättre reglerbarhet i processen: Moderna ultraljudssystem kan integreras i satsvisa eller kontinuerliga inlineanläggningar och justeras via amplitud, uppehållstid, flödeshastighet, temperatur och energitillförsel.

Hielschers sonoelektrokemiska system är unika: Sonoelektroden fungerar samtidigt som ultraljudssond och elektrod. De sonoelektrokemiska anläggningarna är utformade för skalbar vätskebearbetning från laboratorietester till pilotdrift och industriell inlineproduktion. Högeffektsultraljud, kapacitet för kontinuerlig drift 24/7, robusthet av industriklass och lågt underhållsbehov gör Hielschers sonoelektrokemiska system idealiska för industriell sonoelektrolytisk metallutvinning.
Linjär uppskalning genom kontrollerade parametrar såsom amplitud, energitillförsel, flödeshastighet, temperatur och uppehållstid underlättar avsevärt ökningen av produktionskapaciteten.

Sonoelektrolytisk metallutvinning i processkedjan lakning–elektrolytisk metallutvinning

I en konventionell hydrometallurgisk anläggning sker elektrolytisk metallutvinning ofta efter lakning, separation av fasta ämnen från vätska, rening och ibland vätskeextraktion eller jonbyte. Sonoelektrolytisk metallutvinning kan integreras i detta efterföljande återvinningssteg för att intensifiera omvandlingen av lösta metalljoner till fast metall.

En typisk processkedja kan se ut så här:

1. Krossad malm, koncentrat, anrikningssand eller sekundär råvara lakas för att lösa upp målmetallen.
2. Olösligt gångberg, kvarvarande fasta ämnen och oönskade faser avlägsnas eller minskas.
3. Den metallrika laklösningen justeras kemiskt för selektiv elektrolytisk metallutvinning.
4. Elektrolyten matas in i en cell för elektrolytisk metallutvinning som är utrustad med sonoelektroder och cirkulation.
5. Ultraljudsbehandlingen förbättrar jontransporten och förnyelsen av elektrodytan medan den tillförda strömmen avsätter metallen på katoden.
6. Metallprodukten tas till vara och elektrolyten återcirkuleras eller skickas vidare för ytterligare behandling.

Denna kombination är särskilt intressant där metallutvinningsindustrin behöver bearbeta mer krävande resurser. Många framtida råvaror har lägre metallhalter, fler föroreningar, finare partiklar, blandade kemiska sammansättningar eller varierande sammansättning. Sonoelektrolytisk metallutvinning erbjuder ett sätt att göra det elektrokemiska återvinningssteget mer robust genom att förbättra samspelet mellan elektrolyten och elektrodytan.

Sonoelektrokemisk metallåtervinning: Högre utbyten till lägre processkostnader

Elektrolytisk metallutvinning är redan en hörnsten inom hydrometallurgin eftersom den kan återvinna metaller ur vattenlösningar som fasta produkter med högt värde. Sonoelektrolytisk metallutvinning förbättrar konventionell elektroextraktion genom att förbättra återvinningseffektiviteten, strömutbytet och energiförbrukningen.
De synergistiska effekterna av högeffektsultraljud och elektrolytisk metallutvinning motverkar de fysikaliska begränsningarna vid det elektrokemiska gränsskiktet och möjliggör en intensivare, mer kontrollerad och potentiellt effektivare metallåtervinning. Inom gruvdrift, återvinning och metallurgisk verksamhet hjälper tekniken till att överbrygga gapet mellan alltmer komplexa råmaterial och behovet av renare, mer selektiva utvinningsprocesser med högre genomströmning.

Sonoelektrolytisk metallutvinning som verktyg för processintensifiering

Framtidens metallutvinning kommer att vara beroende av att mer metall återvinns ur mer svårbearbetade resurser. Malmer med höga metallhalter blir allt mindre vanliga i många regioner, samtidigt som efterfrågan på koppar, nickel, kobolt, litiumrelaterade metaller, ädelmetaller och sällsynta grundämnen ökar. Samtidigt breddar industrin sitt fokus från primära malmer till sekundära resurser såsom förbrukade batterier, elektronikskrot, katalysatorer, industriella restprodukter och processvatten.
Sonoelektrolytisk metallutvinning erbjuder en attraktiv strategi för processintensifiering under dessa förhållanden. Genom att kombinera selektiviteten hos elektrokemisk metallåtervinning med ultraljudskavitationens kraft vid gränsytor kan den förbättra massöverföringen, elektrodaktiviteten, avlagringarnas morfologi och processens robusthet. För industriella verksamheter innebär detta en effektivare väg från urlakade metalljoner till en metallprodukt som kan tillvaratas.
Kort sagt gör sonoelektrolytisk metallutvinning katodytan till en mer dynamisk reaktionszon. Ultraljudsbehandling håller det elektrokemiska gränsskiktet aktivt; elektrokemi omvandlar lösta joner till metall; och tillsammans skapar de en kraftfull plattform för modern hydrometallurgisk utvinning.

Högpresterande Sono-Electro-Probes och SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics är din partner med mångårig erfarenhet av högpresterande ultraljudssystem. Vi tillverkar och distribuerar ultraljudssonder och reaktorer med den senaste tekniken, som används över hela världen för tillämpningar med hög belastning i krävande miljöer. För sonoelektrokemi har Hielscher utvecklat särskilda ultraljudssonder som kan fungera som katod och/eller anod, samt ultraljudsreaktorceller som lämpar sig för elektrokemiska reaktioner. Ultraljudselektroder och celler finns tillgängliga för såväl galvaniska / voltaiska som elektrolytiska system.
 

Kontakta oss nu och berätta om kraven för din elektrokemiska process! Vi rekommenderar de ultraljudselektroder och den reaktoruppställning som passar dig bäst!
 

Litteratur / Referenser

• 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