Jonometallurgi

Mineralbearbetning och utvinning av metaller är mycket energikrävande processer, som inte är undantagna från att producera stora volymer fasta restprodukter och avloppsvatten, som också kräver energi för att vidarebehandlas och omhändertas. När efterfrågan på metaller ökar måste den metallurgiska industrin dessutom förlita sig på materialkällor med lägre metallhalt både från primära (t.ex. mineralmalmer) och/eller sekundära (t.ex. slagg, avfallsavfall, kommunalt avfall) råmaterial. Följaktligen måste gruvverksamhet och avfallsåtervinning utvecklas mot utveckling av mer selektiva, effektiva och miljövänliga mineral- och metallbearbetningsvägar.

Mineralbearbetningsoperationer behövs först för att koncentrera mineralfaserna av intresse och avvisa det oönskade materialet som är fysiskt eller kemiskt associerat med en definierad råvara. Processen kräver dock cirka 30 GJ/ton metall, vilket motsvarar cirka 29 % av den totala energi som spenderas på gruvdrift i USA. Samtidigt pyrometallurgi en betydande producent av utsläpp av växthusgaser och skadligt rökgasdamm. Hydrometallurgi innebär konsumtion av stora volymer av lixivianter såsom H ₂ SO ₄ , HCl, KCN, NaCN som har dålig selektivitet. Dessutom, trots miljöhänsyn och användningsbegränsningar som införts av vissa länder, anses cyanidering fortfarande vara den främsta processtekniken för att återvinna guld från malmer. Kvicksilver används också av hantverksmässiga gruvarbetare i mindre ekonomiskt utvecklade länder för att koncentrera guld och silver från mineraler, trots dess uppenbara toxicitet. Bio-hydrometallurgi använder sig av levande organismer, såsom bakterier och svampar, och även om denna metod endast kräver tillförsel av O ₂ och CO ₂ från atmosfären, kräver den låga fasta-till-vätska-förhållanden och långa kontakttider, vilket minskar avsevärt rum-tid avkastning.

Jonmetallurgi använder icke-vattenhaltiga joniska lösningsmedel, såsom joniska vätskor (IL) och djupeutektiska lösningsmedel (DES), vilket möjliggör utvecklingen av flödesark med slutna kretslopp för att effektivt återvinna metaller genom att till exempel integrera de metallurgiska enheternas operationer för lakning och elektrovinnande. Det gör det möjligt att bearbeta metaller vid måttliga temperaturer i en icke-vattenhaltig miljö som tillåter kontroll av metallspeciering, tolererar föroreningar och samtidigt uppvisar lämplig löslighet och strömeffektivitet. Detta förenklar konventionella bearbetningsvägar och möjliggör en avsevärd minskning av storleken på en metallbearbetningsanläggning.

Metallextraktion med joniska vätskor

DES är vätskor som vanligtvis består av två eller tre billiga och säkra komponenter som är kapabla att självassociera, ofta genom vätebindningsinteraktioner, för att bilda eutektiska blandningar med en smältpunkt som är lägre än den för varje enskild komponent. DES är i allmänhet flytande vid temperaturer lägre än 100 °C, och de uppvisar liknande fysikalisk-kemiska egenskaper som traditionella IL, samtidigt som de är mycket billigare och miljövänligare. De flesta av dem är blandningar av kolinklorid och en vätebindningsdonator (t.ex. urea, etylenglykol, malonsyra) eller blandningar av kolinklorid med ett hydratiserat metallsalt. Andra kolinsalter (t.ex. acetat, citrat, nitrat) har mycket högre kostnader eller behöver syntetiseras, och DES formulerade från dessa anjoner är vanligtvis mycket mer trögflytande och kan ha högre ledningsförmåga än för kolinklorid . Detta resulterar i lägre pläteringshastigheter och sämre kastkraft och av denna anledning gynnas fortfarande kloridbaserade DES-system. Till exempel har Reline (en 1:2-blandning av kolinklorid och urea) använts för att selektivt utvinna Zn och Pb från en blandad metalloxidmatris. På liknande sätt underlättar etalin (en 1:2 blandning av kolinklorid och etylenglykol) metallupplösning vid elektropolering av stål. DES har också visat lovande resultat för att återvinna metaller från komplexa blandningar såsom Cu/Zn och Ga/As, och ädla metaller från mineraler. Det har också visat sig att metaller kan utvinnas från komplexa blandningar genom elektrokatalys med en kombination av DES som lixiviants och ett oxidationsmedel, medan metalljoner samtidigt kan separeras från lösningen genom elektroutvinning .

Återvinning av ädelmetaller genom jonometallurgi

Ädelmetaller är sällsynta, naturligt förekommande metalliska kemiska grundämnen av högt ekonomiskt värde. Kemiskt tenderar ädelmetallerna att vara mindre reaktiva än de flesta grundämnen. De inkluderar guld och silver, men också de så kallade platinagruppens metaller: rutenium, rodium, palladium, osmium, iridium och platina (se ädelmetaller). Extraktion av dessa metaller från deras motsvarande värdmineral skulle typiskt kräva pyrometallurgi (t.ex. rostning), hydrometallurgi (cyanidering) eller bådadera som processvägar. Tidiga studier har visat att guldupplösningshastigheten i etalin är mycket fördelaktig jämfört med cyanideringsmetoden, som förstärks ytterligare genom tillsats av jod som ett oxidationsmedel. I en industriell process har joden potential att användas som en elektrokatalysator, varvid den kontinuerligt utvinns in situ från den reducerade jodiden genom elektrokemisk oxidation vid anoden av en elektrokemisk cell. Upplösta metaller kan selektivt avsättas vid katoden genom att justera elektrodpotentialen. Metoden tillåter också bättre selektivitet eftersom en del av gänget (t.ex. pyrit) tenderar att lösas upp långsammare.

Sperrylit (PtAs ₂ ) och moncheit (PtTe ₂ ), som vanligtvis är de vanligare platinamineralerna i många ortomagmatiska avlagringar, reagerar inte under samma förhållanden i Etaline eftersom de är disulfid (pyrit), diarsenid (sperrylit) eller ditellurider (calaverit) och moncheit) mineraler, som är särskilt resistenta mot jodoxidation. Reaktionsmekanismen genom vilken upplösning av platinamineral sker är fortfarande under utredning.

Metallåtervinning från sulfidmineraler med jonometallurgi

Metallsulfider (t.ex. pyrit FeS ₂ , arsenopyrit FeAsS, chalcopyrite CuFeS ₂ ) bearbetas normalt genom kemisk oxidation antingen i vattenhaltiga medier eller vid höga temperaturer. Faktum är att de flesta basmetaller, t.ex. aluminium, krom, måste reduceras (elektro)kemiskt vid höga temperaturer, varigenom processen medför ett högt energibehov, och ibland genereras stora volymer vattenhaltigt avfall. I vattenhaltiga medier är t.ex. kopirit svårare att lösa kemiskt än kovellit och kalkocit på grund av yteffekter (bildning av polysulfidarter). Närvaron av Cl ^- joner har föreslagits för att ändra morfologin hos alla bildade sulfidytor, vilket gör att sulfidmineralet lättare kan läcka ut genom att förhindra passivering. DES ger en hög Cl ⁻ jonkoncentration och låg vattenhalt, samtidigt som de minskar behovet av antingen höga ytterligare salt- eller syrakoncentrationer, vilket kringgår det mesta av oxidkemin. Således har elektroupplösningen av sulfidmineraler visat lovande resultat i DES-medier i frånvaro av passiveringsskikt, med frisättning i lösningen av metalljoner som kunde återvinnas från lösningen.

Under extraktion av koppar från kopparsulfidmineraler med etalin, producerar chalcocit (Cu ₂ S) och covellit (CuS) en gul lösning, vilket indikerar att [CuCl ₄ ] ^2−- komplex bildas. Samtidigt existerar Cu ²⁺ och Cu ^{+ -arter} i lösningen i lösningen som bildas av kopparkis på grund av genereringen av reducerande Fe2 ⁺ -arter vid katoden. Bästa selektiva återvinningen av koppar (>97 %) från kolopirit kan erhållas med en blandad DES av 20 viktprocent ChCl-oxalsyra och 80 viktprocent etalin.

Metallåtervinning från oxidföreningar med jonometallurgi

Återvinning av metaller från oxidmatriser utförs i allmänhet med användning av mineralsyror. Elektrokemisk upplösning av metalloxider i DES kan dock göra det möjligt att förbättra upplösningen upp till mer än 10 000 gånger i pH-neutrala lösningar.

Studier har visat att jonoxider som ZnO tenderar att ha hög löslighet i ChCl:malonsyra, ChCl:urea och Etaline, vilket kan likna lösligheten i vattenhaltiga sura lösningar, t.ex. HCl. Kovalenta oxider, såsom TiO2, _uppvisar emellertid nästan ingen löslighet. Den elektrokemiska upplösningen av metalloxider är starkt beroende av protonaktiviteten från HBD, dvs protonernas förmåga att fungera som syreacceptorer, och på temperaturen. Det har rapporterats att eutektiska jonvätskor med lägre pH-värden, såsom ChCl:oxalsyra och ChCl:mjölksyra, tillåter en bättre löslighet än den för högre pH (t.ex. ChCl:ättiksyra). Följaktligen kan olika lösligheter erhållas genom att till exempel använda olika karboxylsyror som HBD.

Syn

För närvarande är stabiliteten för de flesta joniska vätskor under praktiska elektrokemiska förhållanden okänd, och det grundläggande valet av jonisk vätska är fortfarande empiriskt eftersom det nästan inte finns några data om metalljontermodynamik för att matas in i löslighets- och artbildningsmodeller. Dessutom finns det inga Pourbaix- diagram tillgängliga, inga standard redoxpotentialer och obefintlig kunskap om artbildning eller pH-värden. Det måste noteras att de flesta processer som rapporterats i litteraturen som involverar joniska vätskor har en Technology Readiness Level (TRL) 3 (experimentell proof-of-concept) eller 4 (teknik validerad i labbet), vilket är en nackdel för kortsiktig implementering . Jonometallurgi har dock potential att effektivt återvinna metaller på ett mer selektivt och hållbart sätt, eftersom den tar hänsyn till miljövänliga lösningsmedel, minskning av växthusgasutsläpp och undvikande av frätande och skadliga reagens.