Ультразвукове електролітичне вилучення металів у промисловості

Оскільки світовий попит на мідь, нікель, кобальт, цинк, срібло, золото, рідкісні метали та матеріали, що використовуються у виробництві акумуляторів, продовжує зростати, виробники металів відчувають тиск з метою отримання більшої вигоди з руд, концентратів, хвостів, вторинної сировини та низькосортної сировини. У гідрометалургії одним із найпоширеніших способів вилучення металів є електроліз, також відомий як електроекстракція: розчинені іони металів вилучаються з розчину вилуговування за допомогою електричного струму, який призводить до відновлення іонів та осадження металу на катоді.

Ультразвукове електролітичне вилучення для підвищення ефективності гідрометалургійного вилучення металів

Ультразвукове електролітичне вилучення розвиває цей принцип, поєднуючи електролітичне вилучення з високоінтенсивним ультразвуком. У результаті утворюється ультразвуково-електрохімічний процес, у якому спільно діють акустична кавітація, мікропотоки та електрохімічне відновлення. Замість того, щоб покладатися лише на електричний потенціал та звичайну циркуляцію електроліту, соноелектроліз забезпечує інтенсивне локальне перемішування безпосередньо на межі розділу з електродом або поблизу неї, де фактично відбувається осадження металу. За даними численних досліджень, ультразвук покращує масообмін, порушує дифузійний шар, очищає поверхні електродів, видаляє бульбашки газу та сприяє підвищенню швидкості електрохімічних реакцій.

Ультразвукові електроди: 2 ультразвукові перетворювачі збурюють відповідно анод і катод. Ультразвукові електроди або ультразвукові датчики одночасно виконують функції електродів та ультразвукових датчиків, що сприяє покращенню процесу електролізу.

Від руди до катода: як працює ультразвукове електроосадження

Промислове електролітичне вилучення зазвичай починається з вилуговування. На цьому попередньому етапі цільовий метал розчиняється з руди, концентрату, технологічних залишків, шлаку, чорної маси, електронних відходів або іншої металургійної сировини у водний розчин. Залежно від хімічного складу металу та руди, вилужувач може бути кислим, лужним, на основі хлоридів, сульфатів, ціанідів, аміаку, органічних кислот або іншим чином хімічно адаптованим для розчинення ціннісної металевої фази.
Після вилуговування збагачений металом розчин зазвичай освітлюють, очищують і коригують його pH, електропровідність, температуру, концентрацію металу та склад домішок. В електролізері для електроекстракції цей металовмісний електроліт протікає між анодом і катодом. Під дією регульованого струму розчинені йони металу мігрують і відновлюються на поверхні катода, утворюючи твердий металевий осад. Під час електроекстракції з ультразвуковим впливом у це електрохімічне середовище вводять ультразвук, завдяки чому акустична енергія інтенсифікує перенесення йонів та оновлення примежового шару біля електрода.

Якщо говорити просто, послідовність процесів така:

• Вилуговування: Цінні метали переводять із руди або вторинної сировини в розчин шляхом розчинення.
• Кондиціювання розчину: Розчин вилуговування очищують або коригують його параметри для підвищення селективності та поліпшення характеристик осадження.
• Соноелектрохімічне осадження: Ультразвук та електричний струм діють одночасно в комірці електровидобутку.
• Вилучення катодного металу: Металеві осади збирають у вигляді листів, порошку, губки, фольги або інших форм осаду залежно від схеми процесу.
• Рециркуляція електроліту: Збіднений електроліт можна регенерувати, повторно використовувати або повертати до гідрометалургійного контуру.

Why Sonication Improves Electrowinning

Основним вузьким місцем у багатьох системах електроосадження є не лише сама електрична реакція. Це подача свіжих іонів металу до поверхні катода, видалення продуктів реакції та газових бульбашок, а також підтримання активного, чистого, однорідного електродного інтерфейсу. Ультразвук безпосередньо вирішує ці обмеження.
Коли високоефектний ультразвук потрапляє в електроліт, він створює акустичну кавітацію: утворюються, коливаються та колапсують мікроскопічні бульбашки. Ці колапси генерують мікроджгути, ударні хвилі та інтенсивний локальний зсув. У рідкофазній обробці це може забезпечити локальне змішування, мікроміксинг, диспергування, дезагломерацію та прискорений міжфазний перенос.
Ультразвукова та соноелектротехнологія Hielscher базується на керованій акустичній кавітації для обробки рідин, де ультразвукові хвилі генерують поля кавітації, що створюють зсув, ударні хвилі, мікроджгути та відтворюваний перенос енергії у рідини, суспензії та шлами.
В електроосадженні ці ефекти особливо цінні, оскільки електрохімічна реакція відбувається на поверхні. Ультразвук може зменшити концентраційні градієнти поблизу електрода, стиснути або порушити дифузійний шар і безперервно подавати свіжі іони металу до катода. Останні дослідження щодо ультразвукового посилення електрохімічного масопереносу описують підвищення струму через стиснення дифузійного шару, викликане акустичним потоком, тоді як дослідження ультразвуково-асистованого електроосадження повідомляють про покращений іонний перенос через ефекти кавітації, мікропотоку та акустичного тиску.

Синергія: ультразвукова обробка плюс електрохімія

Перевага соноелектроосадження полягає не лише в тому, що ультразвук «перемішує» розчин. Зонди Hielscher Sono-Electro-Probes поєднують ультразвукові зонди та електроди, які одночасно вносять високоефектний ультразвук та електричний струм в електрохімічну систему. Ключем тут є синергетичне поєднання двох енергетичних полів: електрична енергія забезпечує реакцію відновлення іонів металу, тоді як акустична енергія покращує фізичні та міжфазні умови, за яких відбувається ця реакція.
Ця синергія може створити кілька промислово релевантних переваг:

• Вищий масоперенос: Ультразвукова обробка покращує подачу розчинених іонів металу до поверхні катода, зменшуючи локальне виснаження.
• Чистіші поверхні електродів: Кавітація та акустичний потік допомагають видаляти пасивуючі плівки, слабко прикріплені частинки, газові бульбашки та продукти реакції.
• Потенціал підвищеної ефективності за струмом: Більш активний електродний інтерфейс може зменшити втрати, пов’язані з концентраційною поляризацією та забрудненням поверхні, хоча остаточна ефективність залежить від хімії електроліту та параметрів експлуатації.
• Більш однорідне осадження: Ультразвуково-асистоване електроосадження асоціюється з більш гладкими, щільнішими, одноріднішими осадками та дрібнішою зернистою структурою.
• Швидша кінетика електроосадження: Посилений масоперенос та активація поверхні можуть дозволити досягти вищих швидкостей осадження за оптимізованих умов.
• Зменшені дифузійні обмеження: Порушуючи граничний шар на електроді, ультразвук може забезпечити більш стабільне осадження навіть за відносно низьких концентрацій металу.
• Краща обробка складних електролітів: Ультразвукове перемішування може підтримувати обробку суспензій, дрібних частинок та складних вилуговувальних розчинів, покращуючи диспергування та зменшуючи локальний застій.

Це робить соноелектроосадження особливо привабливим для гідрометалургійних циклів, де традиційне електроосадження обмежене повільною кінетикою, поганою морфологією осаду, концентраційною поляризацією, забрудненням електродів, покриттям газовими бульбашками або низькою концентрацією іонів металу.

Швидкості розчинення електродів Pt за звичайних та соноелектрохімічних умов.
Дослідження та графіки: ©Vasile et al., 2021

Промислові переваги для видобутку металів

Для промислового видобутку металів цінність соноелектровидобутку полягає в інтенсифікації процесу. Потенційно можна відновити більше металу за менший час, з покращеною морфологією осаду та стабільнішою роботою комірки, за умови правильного узгодження потужності ультразвукової обробки, геометрії електродів, складу електроліту та густини струму.

На практиці соноелектровидобуток підтримує:

• Відновлення з розчинів вилуговування низької якості: Кращий масоперенос може допомогти підтримувати осадження, коли концентрації розчиненого металу не є ідеальними.
• Покращена якість катода: Більш гладкі та однорідні осади можуть спростити подальше відділення, плавлення, рафінування або обробку порошків.
• Знижена тенденція до забруднення: Безперервне оновлення поверхні може зменшити вплив пасивації та небажаних поверхневих плівок.
• Більш компактний дизайн процесу: Швидша кінетика може дозволити використовувати менші комірки або досягти вищої продуктивності, залежно від хімії процесу.
• Покращене відновлення з вторинних ресурсів: Чорна маса акумуляторів, електронні відходи, каталізатори, шлаки та промислові залишки часто генерують складні розчини вилуговування, де інтенсифікований масоперенос є цінним.
• Краща керованість процесу: Сучасні ультразвукові системи можуть бути інтегровані в партійні або безперервні проточні установки та налаштовані через амплітуду, час перебування, об’ємну витрату, температуру та енерговитрати.

Системи Hielscher sono-electro є унікальними: соноелектрод діє одночасно як ультразвуковий зонд і електрод. Конфігурації sono-electro розроблені для масштабованої обробки рідин від лабораторних випробувань до пілотної експлуатації та промислового проточного виробництва. Високопотужний ультразвук, можливість безперервної роботи 24/7, промислова надійність та низькі вимоги до обслуговування роблять системи Hielscher sono-electro ідеальними для промислового соноелектровидобутку.
Лінійне масштабування через контрольовані параметри, такі як амплітуда, енерговитрати, об’ємна витрата, температура та час перебування, суттєво сприяє збільшенню виробничих потужностей.

Соноелектровидобуток у ланцюжку «Вилуговування–Електровидобуток»

У звичайному гідрометалургійному заводі електровидобуток часто розташований після вилуговування, розділення твердої та рідкої фаз, очищення та іноді екстракції розчинником або іонного обміну. Соноелектровидобуток можна інтегрувати в цей етап подальшого відновлення, щоб інтенсифікувати перетворення розчинених іонів металу на твердий метал.

Типовий процесний шлях може виглядати так:

1. Подрібнена руда, концентрат, відвали або вторинна сировина вилуговуються для розчинення цільового металу.
2. Нерозчинна порода, залишкові тверді частинки та небажані фази видаляються або зменшуються.
3. Розчин вилуговування, насичений металом, хімічно коригується для селективного електровидобутку.
4. Електроліт подається в комірку електровидобутку, оснащену соноелектродами та циркуляцією.
5. Ультразвукова обробка покращує транспорт іонів та оновлення поверхні електрода, тоді як прикладений струм осаджує метал на катоді.
6. Металевий продукт збирається, а електроліт рециркулюється або надсилається на подальшу обробку.

Ця комбінація особливо цікава там, де металургійна промисловість потребує переробки більш складних ресурсів. Багато майбутніх видів сировини містять менші вмісти металів, більше домішок, дрібніші частинки, змішані хімічні склади або змінний склад. Соноелектровидобуток пропонує шлях зробити етап електрохімічного відновлення більш надійним, покращуючи взаємодію між електролітом та поверхнею електрода.

Соноелектрохімічне відновлення металів: вища вихідна кількість за нижчих процесних витрат

Електровидобуток вже є наріжним каменем гідрометалургії, оскільки він дозволяє відновлювати метали з водних розчинів у вигляді високоцінних твердих продуктів. Соноелектровидобуток покращує традиційну електроэкстракцію, підвищуючи ефективність вилучення, ефективність за струмом та енергоспоживання.
Синергетичні ефекти потужного ультразвуку та електровидобутку вирішують фізичні обмеження електрохімічного інтерфейсу та сприяють більш інтенсивному, контрольованому та потенційно більш ефективному вилученню металів. Для гірничодобувних, переробних та металургійних операцій ця технологія допомагає подолати розрив між дедалі складнішою сировиною та потребою в чистіших, більш селективних маршрутах вилучення з вищою пропускною здатністю.

Соноелектровидобуток як інструмент інтенсифікації процесу

Майбутнє вилучення металів залежатиме від здатності отримувати більше металу з більш складних ресурсів. Вміст корисних компонентів у рудах високої якості знижується у багатьох регіонах, тоді як попит на мідь, нікель, кобальт, літійвмісні метали, дорогоцінні метали та рідкісні елементи зростає. Водночас промисловість розширює свою увагу з первинних руд на вторинні ресурси, такі як відпрацьовані акумулятори, електронний брухт, каталізатори, промислові залишки та технологічні води.
Соноелектровидобуток пропонує переконливу стратегію інтенсифікації процесу для такого ландшафту. Поєднуючи селективність електрохімічного вилучення металів із міжфазною потужністю ультразвукової кавітації, він може покращити масоперенесення, активність електродів, морфологію осаду та стійкість процесу. Для промислових операторів це означає більш надійний шлях від вилужених іонів металу до відновленого металевого продукту.
Коротко кажучи, соноелектровидобуток перетворює поверхню катода на більш динамічну реакційну зону. Ультразвукова обробка підтримує активність електрохімічного інтерфейсу; електрохімія перетворює розчинені іони на метал; і разом вони створюють потужну платформу для сучасного гідрометалургійного вилучення.

Високоефективні соноелектро-зонди та соноелектрореактори

Hielscher Ultrasonics – ваш досвідчений партнер із багаторічним стажем для високоефективних ультразвукових систем. Ми виробляємо та розповсюджуємо сучасні ультразвукові зонди та реактори, які використовуються у всьому світі для важких умов експлуатації у складних середовищах. Для соноелектрохімії Hielscher розробив спеціальні ультразвукові зонди, які можуть діяти як катод та/або анод, а також ультразвукові реакторні комірки, придатні для електрохімічних реакцій. Ультразвукові електроди та комірки доступні для гальванічних / вольтових, а також електролітичних систем.

Зв’яжіться з нами зараз і розкажіть нам про ваші вимоги до електрохімічного процесу! Ми порекомендуємо вам найбільш підходящі ультразвукові електроди та конфігурацію реактора!
 

Література / Посилання

• 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