Điện phân thu hồi kim loại có hỗ trợ siêu âm trong khai thác kim loại công nghiệp

Khi nhu cầu toàn cầu về đồng, niken, coban, kẽm, bạc, vàng, kim loại hiếm và vật liệu dùng cho pin tiếp tục tăng, các nhà sản xuất kim loại phải chịu áp lực thu hồi nhiều giá trị hơn từ quặng, tinh quặng, quặng đuôi, các dòng vật liệu tái chế và nguyên liệu có hàm lượng kim loại thấp. Trong thủy luyện, một trong những phương pháp thu hồi kim loại được sử dụng lâu đời và phổ biến nhất là điện phân thu hồi, còn gọi là chiết điện phân: các ion kim loại hòa tan được thu hồi từ dung dịch hòa tách bằng cách cho dòng điện chạy qua, qua đó khử các ion và kết tủa kim loại lên catốt.

Điện phân thu hồi có hỗ trợ siêu âm để cải thiện khả năng thu hồi kim loại bằng thủy luyện

Điện phân thu hồi có hỗ trợ siêu âm phát triển nguyên lý này bằng cách kết hợp điện phân thu hồi với siêu âm cường độ cao. Kết quả là một quá trình điện hóa siêu âm, trong đó xâm thực âm, dòng vi lưu và phản ứng khử điện hóa cùng tác động. Thay vì chỉ dựa vào điện thế và sự tuần hoàn chất điện ly thông thường, điện phân thu hồi có hỗ trợ siêu âm tạo ra sự khuấy trộn cục bộ mạnh trực tiếp tại hoặc gần bề mặt phân cách điện cực, nơi quá trình kết tủa kim loại thực sự diễn ra. Nhiều báo cáo cho thấy siêu âm tăng cường vận chuyển khối, làm xáo trộn lớp khuếch tán, làm sạch bề mặt điện cực, loại bỏ bọt khí và hỗ trợ tốc độ phản ứng điện hóa cao hơn.

Đầu dò điện hóa siêu âm: 2 bộ chuyển đổi siêu âm lần lượt làm rung anốt và catốt. Các điện cực siêu âm hay đầu dò điện hóa siêu âm đồng thời đóng vai trò là điện cực và đầu dò siêu âm để cải thiện quá trình điện phân thu hồi.

Từ quặng đến catốt: Cơ chế hoạt động của quá trình kết tủa điện hóa có hỗ trợ siêu âm

Điện phân thu hồi trong công nghiệp thường bắt đầu bằng quá trình hòa tách. Trong công đoạn đầu nguồn này, kim loại mục tiêu được hòa tan từ quặng, tinh quặng, cặn quá trình, xỉ, bột đen, chất thải điện tử hoặc nguyên liệu luyện kim khác vào dung dịch nước. Tùy thuộc vào đặc tính hóa học của kim loại và quặng, tác nhân hòa tách có thể có tính axit, tính kiềm, chứa clorua, sunfat, xyanua, amoniac, axit hữu cơ hoặc được điều chỉnh thành phần hóa học theo cách khác để hòa tan pha kim loại có giá trị.
Sau khi hòa tách, dung dịch hòa tách giàu kim loại thường được làm trong, tinh sạch và điều chỉnh về pH, độ dẫn điện, nhiệt độ, nồng độ kim loại và thành phần tạp chất. Trong bể điện phân thu hồi, chất điện ly chứa kim loại này chảy giữa anốt và catốt. Khi cho dòng điện được kiểm soát chạy qua, các ion kim loại hòa tan di chuyển và bị khử tại bề mặt catốt, nơi chúng tạo thành lớp kim loại rắn kết tủa. Trong điện phân thu hồi có hỗ trợ siêu âm, siêu âm được đưa vào môi trường điện hóa này để năng lượng âm tăng cường vận chuyển ion và làm mới lớp biên điện cực.

Nói một cách đơn giản, trình tự quá trình như sau:

• Hòa tách: Các kim loại có giá trị được hòa tan từ quặng hoặc nguyên liệu thứ cấp vào dung dịch.
• Điều chỉnh dung dịch: Dung dịch hòa tách được tinh sạch hoặc điều chỉnh để cải thiện tính chọn lọc và đặc tính kết tủa.
• Kết tủa điện hóa có hỗ trợ siêu âm: Siêu âm và dòng điện tác động đồng thời trong bể điện phân thu hồi.
• Thu hồi kim loại tại catốt: Kim loại kết tủa được thu gom ở dạng tấm, bột, xốp, lá mỏng hoặc các dạng kết tủa khác tùy theo thiết kế quá trình.
• Tuần hoàn chất điện ly: Chất điện ly đã suy giảm hàm lượng kim loại có thể được tái sinh, tái sử dụng hoặc đưa trở lại chu trình thủy luyện.

Vì sao xử lý siêu âm cải thiện quá trình điện phân thu hồi

Nút thắt chính trong nhiều hệ thống điện phân thu hồi kim loại không chỉ nằm ở bản thân phản ứng điện hóa. Đó còn là việc cung cấp các ion kim loại mới đến bề mặt catốt, loại bỏ sản phẩm phản ứng và bọt khí, đồng thời duy trì bề mặt tiếp xúc điện cực hoạt động, sạch và đồng nhất. Siêu âm trực tiếp khắc phục những hạn chế này.
Khi siêu âm công suất cao đi vào chất điện ly, nó tạo ra hiện tượng xâm thực âm học: các bọt khí vi mô hình thành, dao động và sụp đổ. Sự sụp đổ này tạo ra các vi tia, sóng xung kích và lực cắt cục bộ mạnh. Trong xử lý pha lỏng, điều này có thể tạo ra sự trộn cục bộ, trộn vi mô, phân tán, phá kết tụ và tăng tốc vận chuyển qua bề mặt phân cách.
Công nghệ siêu âm và điện hóa siêu âm của Hielscher lấy hiện tượng xâm thực âm học có kiểm soát làm trọng tâm trong xử lý chất lỏng, trong đó sóng siêu âm tạo ra các trường xâm thực sinh ra lực cắt, sóng xung kích, vi tia và sự truyền năng lượng có khả năng tái lập vào chất lỏng, huyền phù và bùn nhão.
Trong điện phân thu hồi kim loại, những hiệu ứng này đặc biệt có giá trị vì phản ứng điện hóa diễn ra trên một bề mặt. Siêu âm có thể giảm gradient nồng độ gần điện cực, làm mỏng hoặc phá vỡ lớp khuếch tán và liên tục đưa các ion kim loại mới đến catốt. Các công trình gần đây về vận chuyển khối điện hóa được tăng cường bằng siêu âm mô tả sự gia tăng dòng điện nhờ lớp khuếch tán bị làm mỏng do dòng chảy âm học, trong khi các nghiên cứu về kết tủa điện hóa có hỗ trợ siêu âm ghi nhận sự cải thiện vận chuyển ion nhờ các hiệu ứng xâm thực, dòng chảy vi mô và áp suất âm.

Tác động hiệp đồng: Kết hợp xử lý siêu âm với điện hóa

Ưu điểm của điện phân thu hồi kim loại có hỗ trợ siêu âm không chỉ nằm ở việc siêu âm “khuấy” dung dịch. Hielscher Sono-Electro-Probes kết hợp đầu dò siêu âm và điện cực, đồng thời đưa siêu âm cường độ cao và dòng điện vào một hệ thống điện hóa. Yếu tố then chốt ở đây là sự kết hợp hiệp đồng của hai trường năng lượng: năng lượng điện thúc đẩy phản ứng khử ion kim loại, trong khi năng lượng âm cải thiện các điều kiện vật lý và điều kiện tại bề mặt phân cách nơi phản ứng đó diễn ra.
Tác động hiệp đồng này có thể mang lại một số lợi ích thiết thực trong công nghiệp:

• Truyền khối tốt hơn: Xử lý siêu âm cải thiện việc cung cấp các ion kim loại hòa tan đến bề mặt catốt, giảm sự suy giảm nồng độ cục bộ.
• Bề mặt điện cực sạch hơn: Hiện tượng xâm thực và dòng chảy âm học giúp loại bỏ các màng thụ động hóa, hạt bám lỏng lẻo, bọt khí và sản phẩm phản ứng.
• Tiềm năng cải thiện hiệu suất dòng điện: Bề mặt tiếp xúc điện cực hoạt động mạnh hơn có thể giảm tổn thất liên quan đến phân cực nồng độ và sự che lấp bề mặt, mặc dù hiệu suất cuối cùng phụ thuộc vào đặc tính hóa học của chất điện ly và các thông số vận hành.
• Kết tủa đồng đều hơn: Kết tủa điện hóa có hỗ trợ siêu âm đã được ghi nhận là có liên quan đến các lớp kết tủa nhẵn hơn, đặc sít hơn, đồng đều hơn và cấu trúc hạt mịn hơn.
• Động học kết tủa điện hóa nhanh hơn: Việc tăng cường truyền khối và hoạt hóa bề mặt có thể cho phép đạt tốc độ kết tủa cao hơn trong các điều kiện được tối ưu hóa.
• Giảm các hạn chế do khuếch tán: Bằng cách gây xáo trộn lớp biên tại điện cực, siêu âm có thể hỗ trợ quá trình kết tủa ổn định hơn ngay cả khi nồng độ kim loại tương đối thấp.
• Xử lý tốt hơn các chất điện ly phức tạp: Khuấy trộn bằng siêu âm có thể hỗ trợ xử lý huyền phù, các hạt mịn và dung dịch hòa tách khó xử lý bằng cách cải thiện sự phân tán và giảm tình trạng ứ đọng cục bộ.

Điều này khiến điện phân thu hồi kim loại có hỗ trợ siêu âm đặc biệt hấp dẫn đối với các chu trình thủy luyện mà quá trình điện phân thu hồi kim loại thông thường bị hạn chế bởi động học chậm, hình thái lớp kết tủa kém, phân cực nồng độ, điện cực bị bám bẩn, bọt khí che phủ hoặc nồng độ ion kim loại thấp.

So sánh tốc độ hòa tan của điện cực Pt theo phương pháp thông thường và phương pháp điện hóa siêu âm.
Nghiên cứu và đồ thị: ©Vasile et al., 2021

Lợi ích công nghiệp trong chiết xuất kim loại

Trong thu hồi kim loại công nghiệp, giá trị của quá trình điện phân thu hồi kim loại có hỗ trợ siêu âm nằm ở khả năng tăng cường quá trình. Có thể thu hồi được nhiều kim loại hơn trong thời gian ngắn hơn, với hình thái lớp kết tủa được cải thiện và bể điện phân vận hành ổn định hơn, với điều kiện công suất siêu âm, hình học điện cực, thành phần chất điện ly và mật độ dòng điện được phối hợp phù hợp.

Trong thực tế, điện phân thu hồi kim loại có hỗ trợ siêu âm hỗ trợ:

• Thu hồi từ dung dịch hòa tách có hàm lượng kim loại thấp: Khả năng truyền khối tốt hơn có thể giúp duy trì sự kết tủa khi nồng độ kim loại hòa tan chưa ở mức lý tưởng.
• Cải thiện chất lượng catốt: Các lớp kết tủa nhẵn hơn và đồng đều hơn có thể đơn giản hóa các công đoạn tiếp theo như bóc tách, nấu chảy, tinh luyện hoặc xử lý bột.
• Giảm xu hướng bám bẩn: Việc liên tục làm mới bề mặt có thể giảm tác động của sự thụ động hóa và các màng bề mặt không mong muốn.
• Thiết kế quy trình gọn hơn: Động học nhanh hơn có thể cho phép sử dụng bể điện phân nhỏ hơn hoặc đạt năng suất xử lý cao hơn, tùy thuộc vào đặc tính hóa học của quá trình.
• Tăng cường thu hồi từ các nguồn tài nguyên thứ cấp: Khối đen từ pin, chất thải điện tử, chất xúc tác, xỉ và cặn thải công nghiệp thường tạo ra các dung dịch hòa tách phức tạp, trong đó việc tăng cường truyền khối có giá trị.
• Khả năng kiểm soát quá trình tốt hơn: Các hệ thống siêu âm hiện đại có thể được tích hợp vào các hệ thống xử lý theo mẻ hoặc liên tục trên đường ống và được điều chỉnh thông qua biên độ, thời gian lưu, lưu lượng, nhiệt độ và năng lượng đầu vào.

Các hệ thống siêu âm điện hóa của Hielscher là độc nhất: Điện cực siêu âm đồng thời đóng vai trò là đầu dò siêu âm và điện cực. Các hệ thống siêu âm điện hóa được thiết kế để xử lý chất lỏng với khả năng mở rộng quy mô từ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đến vận hành thí điểm và sản xuất công nghiệp trên đường ống. Siêu âm công suất cao, khả năng vận hành liên tục 24/7, độ bền đạt chuẩn công nghiệp và nhu cầu bảo trì thấp khiến các hệ thống siêu âm điện hóa của Hielscher trở nên lý tưởng cho quá trình điện phân thu hồi kim loại có hỗ trợ siêu âm trong công nghiệp.
Việc mở rộng quy mô tuyến tính thông qua các thông số được kiểm soát như biên độ, năng lượng đầu vào, lưu lượng, nhiệt độ và thời gian lưu tạo điều kiện đáng kể cho việc tăng năng lực sản xuất.

Điện phân thu hồi kim loại có hỗ trợ siêu âm trong chuỗi hòa tách–điện phân thu hồi kim loại

Trong một nhà máy thủy luyện thông thường, công đoạn điện phân thu hồi kim loại thường được bố trí sau các công đoạn hòa tách, tách rắn–lỏng, tinh sạch và đôi khi là chiết dung môi hoặc trao đổi ion. Điện phân thu hồi kim loại có hỗ trợ siêu âm có thể được tích hợp vào bước thu hồi ở hạ nguồn này để tăng cường quá trình chuyển đổi các ion kim loại hòa tan thành kim loại rắn.

Một quy trình điển hình có thể diễn ra như sau:

1. Quặng đã nghiền, tinh quặng, quặng đuôi hoặc nguyên liệu thứ cấp được hòa tách để hòa tan kim loại mục tiêu.
2. Khoáng vật mạch không hòa tan, chất rắn còn dư và các pha không mong muốn được loại bỏ hoặc giảm bớt.
3. Dung dịch giàu kim loại sau hòa tách được điều chỉnh về mặt hóa học để điện phân thu hồi kim loại có chọn lọc.
4. Chất điện ly được cấp vào bể điện phân thu hồi kim loại có trang bị các điện cực siêu âm và hệ thống tuần hoàn.
5. Xử lý siêu âm cải thiện sự vận chuyển ion và việc làm mới bề mặt điện cực, trong khi dòng điện được cấp làm kim loại kết tủa lên catốt.
6. Sản phẩm kim loại được thu lấy, còn chất điện ly được tái sử dụng hoặc chuyển sang xử lý tiếp.

Sự kết hợp này đặc biệt đáng quan tâm khi ngành thu hồi kim loại cần xử lý các nguồn tài nguyên khó xử lý hơn. Nhiều nguồn nguyên liệu trong tương lai có hàm lượng kim loại thấp hơn, nhiều tạp chất hơn, hạt mịn hơn, các đặc tính hóa học pha trộn hoặc thành phần biến động. Điện phân thu hồi kim loại có hỗ trợ siêu âm mang lại một phương thức giúp bước thu hồi điện hóa vận hành vững vàng hơn bằng cách cải thiện sự tương tác giữa chất điện ly và bề mặt điện cực.

Thu hồi kim loại bằng siêu âm điện hóa: Hiệu suất thu hồi cao hơn với chi phí xử lý thấp hơn

Điện phân thu hồi kim loại vốn đã là một công nghệ nền tảng của thủy luyện vì có thể thu hồi kim loại từ dung dịch nước dưới dạng sản phẩm rắn có giá trị cao. Điện phân thu hồi kim loại có hỗ trợ siêu âm cải tiến phương pháp điện phân thu hồi thông thường bằng cách cải thiện hiệu suất thu hồi, hiệu suất dòng điện và mức tiêu thụ năng lượng.
Tác động hiệp đồng của siêu âm công suất cao và điện phân thu hồi kim loại khắc phục các giới hạn vật lý tại bề mặt phân cách điện hóa, đồng thời hỗ trợ quá trình thu hồi kim loại được tăng cường hơn, được kiểm soát tốt hơn và có khả năng đạt hiệu quả cao hơn. Đối với hoạt động khai khoáng, tái chế và luyện kim, công nghệ này giúp thu hẹp khoảng cách giữa nguồn nguyên liệu ngày càng phức tạp và nhu cầu về các quy trình chiết tách sạch hơn, có tính chọn lọc cao hơn và năng suất xử lý lớn hơn.

Điện phân thu hồi kim loại có hỗ trợ siêu âm như một công cụ tăng cường quá trình

Tương lai của ngành chiết tách kim loại sẽ phụ thuộc vào khả năng thu hồi nhiều kim loại hơn từ những nguồn tài nguyên khó xử lý hơn. Nguồn quặng có hàm lượng kim loại cao đang suy giảm ở nhiều khu vực, trong khi nhu cầu về đồng, niken, coban, các kim loại liên quan đến liti, kim loại quý và các nguyên tố hiếm đang gia tăng. Đồng thời, ngành công nghiệp đang mở rộng trọng tâm từ quặng nguyên khai sang các nguồn tài nguyên thứ cấp như pin đã qua sử dụng, phế liệu điện tử, chất xúc tác, bã thải công nghiệp và nước công nghệ.
Điện phân thu hồi kim loại có hỗ trợ siêu âm mang lại một chiến lược tăng cường quá trình đầy sức thuyết phục trong bối cảnh này. Bằng cách kết hợp tính chọn lọc của quá trình thu hồi kim loại bằng điện hóa với tác động mạnh tại bề mặt phân cách của hiện tượng xâm thực siêu âm, phương pháp này có thể cải thiện sự truyền khối, hoạt tính điện cực, hình thái lớp kim loại kết tủa và độ ổn định của quá trình. Đối với các đơn vị vận hành công nghiệp, điều này mang lại một quy trình hiệu quả hơn để chuyển các ion kim loại trong dung dịch hòa tách thành sản phẩm kim loại có thể thu hồi.
Tóm lại, điện phân thu hồi kim loại có hỗ trợ siêu âm biến bề mặt catốt thành một vùng phản ứng năng động hơn. Xử lý siêu âm duy trì hoạt tính của bề mặt phân cách điện hóa; điện hóa chuyển các ion hòa tan thành kim loại; và khi kết hợp, chúng tạo ra một nền tảng mạnh mẽ cho hoạt động chiết tách bằng thủy luyện hiện đại.

Sono-Electro-Probes và SonoElectroReactors hiệu suất cao

Hielscher Ultrasonics là đối tác giàu kinh nghiệm lâu năm của bạn trong lĩnh vực hệ thống siêu âm hiệu suất cao. Chúng tôi sản xuất và phân phối các đầu dò và thiết bị phản ứng siêu âm tiên tiến, được sử dụng trên toàn thế giới cho các ứng dụng tải nặng trong môi trường khắt khe. Đối với điện hóa siêu âm, Hielscher đã phát triển các đầu dò siêu âm đặc biệt có thể hoạt động như catốt và/hoặc anốt, cũng như các buồng phản ứng siêu âm phù hợp cho phản ứng điện hóa. Các điện cực và buồng phản ứng siêu âm có sẵn cho cả hệ thống pin galvanic / voltaic lẫn hệ thống điện phân.
 

Hãy liên hệ ngay với chúng tôi và cho biết các yêu cầu đối với quy trình điện hóa của bạn! Chúng tôi sẽ đề xuất các điện cực siêu âm và cấu hình thiết bị phản ứng phù hợp nhất cho bạn!
 

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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