Endüstriyel Metal Ekstraksiyonu için Sono-Elektrokazanım

Bakır, nikel, kobalt, çinko, gümüş, altın, nadir metaller ve bataryalarla ilgili malzemelere yönelik küresel talep artmaya devam ederken, metal üreticileri cevherlerden, konsantrelerden, zenginleştirme atıklarından, geri dönüşüm akışlarından ve düşük tenörlü besleme malzemelerinden daha fazla değer elde etme baskısı altındadır. Hidrometalurjide metal geri kazanımı için en yerleşik yöntemlerden biri, elektroekstraksiyon olarak da bilinen elektrokazanımdır: çözünmüş metal iyonları, iyonları indirgeyen ve metali bir katot üzerinde biriktiren bir elektrik akımı uygulanarak liç çözeltisinden geri kazanılır.

İyileştirilmiş Hidrometalurjik Metal Geri Kazanımı için Sono-Elektrokazanım

Sono-elektrokazanım, elektrokazanımı yüksek yoğunluklu ultrasonla birleştirerek bu ilkeyi geliştirir. Bunun sonucunda akustik kavitasyon, mikro akış ve elektrokimyasal indirgenmenin birlikte etkili olduğu bir sonoelektrokimyasal proses ortaya çıkar. Sono-elektrokazanım, yalnızca elektriksel potansiyele ve geleneksel elektrolit dolaşımına dayanmak yerine, metal biriktirmenin fiilen gerçekleştiği elektrot arayüzünde veya bu arayüzün yakınında doğrudan yoğun yerel karıştırma oluşturur. Ultrasonun kütle taşınımını artırdığı, difüzyon tabakasını bozduğu, elektrot yüzeylerini temizlediği, gaz kabarcıklarını uzaklaştırdığı ve daha yüksek elektrokimyasal hızları desteklediği yaygın olarak bildirilmektedir.

Sono-elektro-problar: 2 ultrasonik dönüştürücü sırasıyla anot ve katotta çalkalanma oluşturur. Sono-elektrotlar veya sono-elektro-problar, iyileştirilmiş elektrokazanım için eş zamanlı olarak elektrot ve ultrasonik prob işlevi görür.

Cevherden Katoda: Sono-Elektrobiriktirme Nasıl Çalışır?

Endüstriyel elektrokazanım genellikle liç ile başlar. Bu ön işlem aşamasında hedef metal; cevher, konsantre, proses kalıntısı, cüruf, siyah kütle, elektronik atık veya başka bir metalurjik besleme malzemesinden çözündürülerek sulu bir çözeltiye alınır. Metalin ve cevherin kimyasına bağlı olarak liç reaktifi asidik, alkali, klorür bazlı, sülfat bazlı, siyanür bazlı, amonyaklı, organik asit bazlı olabilir veya değerli metal fazını çözündürmek üzere başka şekilde kimyasal olarak uyarlanmış olabilir.
Liç sonrasında metal yüklü liç çözeltisi genellikle berraklaştırılır, saflaştırılır ve pH, iletkenlik, sıcaklık, metal konsantrasyonu ve safsızlık profili bakımından ayarlanır. Elektrokazanım hücresinde metal içeren bu elektrolit, bir anot ile bir katot arasında akar. Kontrollü bir akım uygulandığında çözünmüş metal iyonları göç eder ve katot yüzeyinde indirgenerek katı bir metalik birikinti oluşturur. Sono-elektrokazanımda bu elektrokimyasal ortama ultrason uygulanır; böylece akustik enerji, iyonların taşınımını ve elektrot sınır tabakasının yenilenmesini yoğunlaştırır.

Basitçe ifade etmek gerekirse proses sırası şöyledir:

• Liç: Değerli metaller cevherden veya ikincil ham maddeden çözündürülerek çözeltiye alınır.
• Çözeltinin koşullandırılması: Seçiciliği ve biriktirme davranışını iyileştirmek için liç çözeltisi saflaştırılır veya ayarlanır.
• Sono-elektrokimyasal biriktirme: Ultrason ve elektrik akımı, elektrokazanım hücresinde eş zamanlı olarak etkili olur.
• Katottan geri kazanım: Proses tasarımına bağlı olarak metal birikintileri levha, toz, sünger, folyo veya diğer birikinti biçimlerinde alınır.
• Elektrolitin yeniden dolaşımı: Metal içeriği azalmış elektrolit rejenere edilebilir, geri dönüştürülebilir veya hidrometalurjik devreye geri gönderilebilir.

Sonikasyon Elektrokazanımı Neden İyileştirir?

Birçok elektrokazanım sistemindeki temel darboğaz yalnızca elektriksel reaksiyonun kendisi değildir. Katot yüzeyine yeni metal iyonlarının sağlanması, reaksiyon ürünlerinin ve gaz kabarcıklarının uzaklaştırılması ve aktif, temiz, homojen bir elektrot arayüzünün korunması da temel darboğazı oluşturur. Ultrason bu sınırlamaları doğrudan ele alır.
Yüksek güçlü ultrason elektrolite girdiğinde akustik kavitasyon oluşturur: mikroskobik kabarcıklar oluşur, salınır ve çöker. Bu çökmeler mikro jetler, şok dalgaları ve yoğun yerel kesme oluşturur. Sıvı faz işlemlerinde bu durum yerel karıştırma, mikro karıştırma, dispersiyon, deaglomerasyon ve hızlandırılmış arayüz taşınımı sağlayabilir.
Hielscher ultrasonik ve sono-elektro teknolojisi, sıvı işleme için kontrollü akustik kavitasyon temelinde konumlandırılmıştır; burada ultrasonik dalgalar, kesme, şok dalgaları, mikro jetler ve akışkanlara, süspansiyonlara ve bulamaçlara tekrarlanabilir enerji aktarımı sağlayan kavitasyon alanları oluşturur.
Elektrokazanımda bu etkiler özellikle değerlidir, çünkü elektrokimyasal reaksiyon bir yüzeyde gerçekleşir. Ultrason, elektrot yakınındaki konsantrasyon gradyanlarını azaltabilir, difüzyon tabakasını sıkıştırabilir veya bozabilir ve katoda sürekli olarak yeni metal iyonları taşıyabilir. Ultrasonla artırılan elektrokimyasal kütle taşınımına ilişkin yakın tarihli çalışmalar, akustik akışın neden olduğu difüzyon tabakası sıkışması yoluyla akım artışını açıklarken, ultrason destekli elektrobiriktirme üzerine araştırmalar kavitasyon, mikro akış ve akustik basınç etkileri yoluyla iyon taşınımının iyileştiğini bildirmektedir.

Sinerji: Sonikasyon ve Elektrokimya

Sono-elektrokazanımın avantajı, ultrasonun çözeltiyi yalnızca “karıştırması” değildir. Hielscher Sono-Electro-Probes, elektrokimyasal bir sisteme eş zamanlı olarak yüksek yoğunluklu ultrason ve elektrik akımı uygulayan ultrasonik probları ve elektrotları bir araya getirir. Burada kilit nokta, iki enerji alanının sinerjik olarak birleştirilmesidir: elektrik enerjisi metal iyonlarının indirgenme reaksiyonunu yürütürken, akustik enerji bu reaksiyonun gerçekleştiği fiziksel koşulları ve arayüz koşullarını iyileştirir.
Bu sinerji, endüstriyel açıdan önemli çeşitli faydalar sağlayabilir:

• Daha yüksek kütle transferi: Sonikasyon, katot yüzeyine çözünmüş metal iyonlarının sağlanmasını iyileştirerek yerel tükenmeyi azaltır.
• Daha temiz elektrot yüzeyleri: Kavitasyon ve akustik akış, pasifleştirici filmlerin, gevşek biçimde tutunmuş parçacıkların, gaz kabarcıklarının ve reaksiyon ürünlerinin uzaklaştırılmasına yardımcı olur.
• Akım verimini iyileştirme potansiyeli: Daha aktif bir elektrot arayüzü, konsantrasyon polarizasyonu ve yüzeyin tıkanmasıyla ilişkili kayıpları azaltabilir; ancak nihai verim, elektrolit kimyasına ve işletim parametrelerine bağlıdır.
• Daha homojen biriktirme: Ultrason destekli elektrobiriktirme; daha pürüzsüz, daha yoğun, daha homojen birikintiler ve daha ince taneli yapılarla ilişkilendirilmiştir.
• Daha hızlı elektrobiriktirme kinetiği: Artırılmış kütle transferi ve yüzey aktivasyonu, optimize edilmiş koşullarda daha yüksek biriktirme hızlarına olanak tanıyabilir.
• Azaltılmış difüzyon sınırlamaları: Ultrason, elektrottaki sınır tabakasını bozarak metal konsantrasyonları nispeten düşük olduğunda bile daha tutarlı biriktirmeyi destekleyebilir.
• Karmaşık elektrolitlerin daha iyi işlenmesi: Ultrasonik çalkalama, dispersiyonu iyileştirerek ve yerel durgunluğu azaltarak süspansiyonların, ince parçacıkların ve işlenmesi zor liç çözeltilerinin işlenmesini destekleyebilir.

Bu durum, geleneksel elektrokazanımın yavaş kinetik, zayıf birikinti morfolojisi, konsantrasyon polarizasyonu, elektrot kirlenmesi, gaz kabarcıklarının yüzeyi kaplaması veya düşük metal iyonu konsantrasyonu nedeniyle sınırlandığı hidrometalurjik devreler için sono-elektrokazanımı özellikle cazip kılar.

Pt elektrotların geleneksel ve sonoelektrokimyasal çözünme hızlarının karşılaştırılması.
Çalışma ve grafikler: ©Vasile et al., 2021

Metal Ekstraksiyonu için Endüstriyel Faydalar

Metallerin endüstriyel ekstraksiyonunda sono-elektrokazanımın değeri, proses yoğunlaştırmada yatar. Sonikasyon gücü, elektrot geometrisi, elektrolit bileşimi ve akım yoğunluğunun uygun biçimde eşleştirilmesi koşuluyla, iyileştirilmiş birikinti morfolojisi ve daha kararlı hücre işletimiyle daha kısa sürede daha fazla metalin geri kazanılması potansiyel olarak mümkündür.

Pratik açıdan sono-elektrokazanım şunları destekler:

• Düşük metal içerikli liç çözeltilerinden geri kazanım: Daha iyi kütle transferi, çözünmüş metal konsantrasyonları ideal olmadığında biriktirmenin sürdürülmesine yardımcı olabilir.
• İyileştirilmiş katot kalitesi: Daha pürüzsüz ve daha homojen birikintiler, sonraki aşamalarda metalin katottan sıyrılmasını, ergitilmesini, rafine edilmesini veya tozun işlenmesini kolaylaştırabilir.
• Daha düşük kirlenme eğilimi: Sürekli yüzey yenilenmesi, pasifleşmenin ve istenmeyen yüzey filmlerinin etkisini azaltabilir.
• Daha kompakt proses tasarımı: Daha hızlı kinetik, proses kimyasına bağlı olarak daha küçük hücrelere veya daha yüksek işleme kapasitesine olanak tanıyabilir.
• İkincil kaynaklardan artırılmış geri kazanım: Batarya siyah kütlesi, elektronik atıklar, katalizörler, cüruflar ve endüstriyel kalıntılar çoğu zaman, yoğunlaştırılmış kütle transferinin değerli olduğu karmaşık liç çözeltileri oluşturur.
• Daha iyi proses kontrol edilebilirliği: Modern ultrasonik sistemler, kesikli veya sürekli hat içi düzeneklere entegre edilebilir ve genlik, kalış süresi, debi, sıcaklık ve enerji girdisi üzerinden ayarlanabilir.

Hielscher sono-elektro sistemleri benzersizdir: Sono-elektrot, eş zamanlı olarak ultrasonik prob ve elektrot işlevi görür. Sono-elektro düzenekler, laboratuvar testlerinden pilot işletime ve endüstriyel hat içi üretime kadar ölçeklenebilir sıvı işleme temelinde tasarlanmıştır. Yüksek güçlü ultrason, 24/7 kesintisiz çalışma kabiliyeti, endüstriyel düzeyde sağlamlık ve düşük bakım gereksinimi, Hielscher sono-elektro sistemlerini endüstriyel sono-elektrokazanım için ideal kılar.
Genlik, enerji girdisi, debi, sıcaklık ve kalış süresi gibi kontrollü parametrelerle doğrusal ölçek büyütme, üretim kapasitelerinin artırılmasını önemli ölçüde kolaylaştırır.

Liç–Elektrokazanım Zincirinde Sono-Elektrokazanım

Geleneksel bir hidrometalurji tesisinde elektrokazanım genellikle liç, katı-sıvı ayırma, saflaştırma ve bazen de çözücü ekstraksiyonu veya iyon değişiminden sonra konumlandırılır. Sono-elektrokazanım, çözünmüş metal iyonlarının katı metale dönüşümünü yoğunlaştırmak için bu sonraki geri kazanım aşamasına entegre edilebilir.

Tipik bir proses akışı şu şekilde olabilir:

1. Kırılmış cevher, konsantre, zenginleştirme atığı veya ikincil ham madde, hedef metali çözündürmek için liç işlemine tabi tutulur.
2. Çözünmeyen gang, artık katılar ve istenmeyen fazlar uzaklaştırılır veya azaltılır.
3. Metal yüklü liç çözeltisi, seçici elektrokazanım için kimyasal olarak ayarlanır.
4. Elektrolit, sono-elektrotlarla ve dolaşım sistemiyle donatılmış bir elektrokazanım hücresine beslenir.
5. Uygulanan akım metali katot üzerine kaplarken, sonikasyon iyon taşınımını ve elektrot yüzeyinin yenilenmesini iyileştirir.
6. Metal ürünü alınır ve elektrolit geri dönüştürülür veya ilave arıtmaya gönderilir.

Bu kombinasyon, metal ekstraksiyonu endüstrisinin işlenmesi daha zor kaynakları işlemesi gereken durumlarda özellikle ilgi çekicidir. Gelecekteki birçok besleme malzemesi daha düşük metal tenörleri, daha fazla safsızlık, daha ince parçacıklar, farklı kimyasal yapıların karışımlarını veya değişken bileşim içerir. Sono-elektrokazanım, elektrolit ile elektrot yüzeyi arasındaki etkileşimi iyileştirerek elektrokimyasal geri kazanım aşamasını daha sağlam hâle getiren bir yol sunar.

Sono-Elektrokimyasal Metal Geri Kazanımı: Daha Düşük Proses Maliyetleriyle Daha Yüksek Verimler

Elektrokazanım, metalleri sulu çözeltilerden yüksek değerli katı ürünler olarak geri kazanabildiği için zaten hidrometalurjinin temel taşlarından biridir. Sono-elektrokazanım, geri kazanım verimini, akım verimini ve enerji tüketimini iyileştirerek geleneksel elektroekstraksiyonu geliştirir.
Yüksek güçlü ultrasonun ve elektrokazanımın sinerjik etkileri, elektrokimyasal arayüzün fiziksel sınırlamalarını ele alır ve daha yoğun, kontrollü ve potansiyel olarak daha verimli metal geri kazanımını destekler. Madencilik, geri dönüşüm ve metalurji faaliyetleri için bu teknoloji, giderek karmaşıklaşan besleme malzemeleri ile daha temiz, daha seçici ve daha yüksek işleme kapasiteli ekstraksiyon yöntemlerine duyulan ihtiyaç arasındaki boşluğu kapatmaya yardımcı olur.

Bir Proses Yoğunlaştırma Aracı Olarak Sono-Elektrokazanım

Metal ekstraksiyonunun geleceği, işlenmesi daha zor kaynaklardan daha fazla metalin geri kazanılmasına bağlı olacaktır. Birçok bölgede yüksek tenörlü cevherler azalırken bakır, nikel, kobalt, lityumla ilişkili metaller, değerli metaller ve nadir elementlere yönelik talep artmaktadır. Aynı zamanda endüstri, odağını birincil cevherlerden kullanılmış bataryalar, elektronik hurdalar, katalizörler, endüstriyel kalıntılar ve proses suları gibi ikincil kaynaklara doğru genişletmektedir.
Sono-elektrokazanım, bu koşullar için cazip bir proses yoğunlaştırma stratejisi sunar. Elektrokimyasal metal geri kazanımının seçiciliğini ultrasonik kavitasyonun arayüzdeki gücüyle birleştirerek kütle transferini, elektrot aktivitesini, birikinti morfolojisini ve prosesin sağlamlığını iyileştirebilir. Endüstriyel işletmeciler için bu, liç ile çözeltiye alınmış metal iyonlarından geri kazanılabilir metal ürününe uzanan daha güçlü bir yol anlamına gelir.
Kısacası sono-elektrokazanım, katot yüzeyini daha dinamik bir reaksiyon bölgesine dönüştürür. Sonikasyon elektrokimyasal arayüzü aktif tutar; elektrokimya çözünmüş iyonları metale dönüştürür; birlikte ise modern hidrometalurjik ekstraksiyon için güçlü bir platform oluştururlar.

Yüksek Performanslı Sono-Electro-Probes ve SonoElectroReactors

Hielscher Ultrasonics, yüksek performanslı ultrasonik sistemler konusunda uzun yıllara dayanan deneyime sahip iş ortağınızdır. Zorlu ortamlardaki ağır hizmet uygulamalarında dünya çapında kullanılan, en ileri teknolojiye sahip ultrasonik problar ve reaktörler üretiyor ve dağıtıyoruz. Sonoelektrokimya için Hielscher, katot ve/veya anot olarak işlev görebilen özel ultrasonik probların yanı sıra elektrokimyasal reaksiyonlara uygun ultrasonik reaktör hücreleri geliştirmiştir. Galvanik / voltaik sistemlerin yanı sıra elektrolitik sistemler için de ultrasonik elektrotlar ve hücreler mevcuttur.
 

Hemen bizimle iletişime geçin ve elektrokimyasal proses gereksinimlerinizi bize anlatın! Size en uygun ultrasonik elektrotları ve reaktör düzeneğini önereceğiz!
 

Literatür / Kaynaklar

• 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