Lixiviación ultrasónica de elementos de tierras raras a partir de cenizas
La lixiviación ultrasónica puede aumentar los rendimientos de extracción y acortar los tiempos de procesamiento a la hora de recuperar elementos de tierras raras a partir de cenizas. Al mejorar el contacto entre las partículas de ceniza y los agentes de lixiviación, el ultrasonido de alta potencia acelera la disolución y contribuye a que los elementos valiosos sean más accesibles. Los estudios sobre las cenizas volantes de carbón demuestran este potencial: los investigadores informaron de una extracción de itrio del 97 %, mientras que otro estudio sobre el galio y el vanadio redujo el tiempo de lixiviación ácida de 180 a 20 minutos.
Las cenizas como recurso secundario para los elementos de tierras raras
Las cenizas constituyen un recurso secundario prometedor para los elementos de tierras raras (ETR). Los residuos de la combustión del carbón pueden contener itrio y otras tierras raras que se utilizan en la electrónica, las tecnologías energéticas y los materiales avanzados. La recuperación de estos elementos a partir de los flujos y depósitos de cenizas existentes podría diversificar el suministro de materias primas y convertir un material de desecho en una materia prima útil.
El potencial de extracción depende tanto de la concentración de los elementos como de su accesibilidad. Una ceniza puede contener elementos valiosos, pero solo liberar una fracción limitada de ellos durante la lixiviación si la matriz mineral circundante restringe el acceso de los reactivos. Por consiguiente, es necesario tener en cuenta de forma conjunta la composición de la ceniza, el pretratamiento y la química de la lixiviación. La recuperación de varios elementos valiosos a partir de una misma materia prima también puede mejorar las perspectivas de un proceso.
La lixiviación ultrasónica desintegra las partículas de ceniza, lo que permite que los reactivos de lixiviación puedan actuar sobre las tierras raras. Al mejorar la transferencia de masa entre las partículas y el reactivo, la sonicación aumenta la recuperación y, al mismo tiempo, reduce el tiempo de procesamiento.
Instalación industrial de sonicadores Hielscher: conjunto de sonicadores de 48 kW para la lixiviación en línea de elementos de tierras raras a partir de cenizas de carbón
Cómo mejora el ultrasonido la lixiviación de cenizas
El ultrasonido de potencia intensifica la extracción sólido-líquido mediante la cavitación acústica. Se forman y colapsan burbujas microscópicas en el líquido, lo que genera fuerzas de cizallamiento locales, microchorros y una mezcla intensa. Estos efectos pueden dispersar los aglomerados de partículas, limpiar las superficies expuestas y mejorar el transporte de los agentes de lixiviación hacia los sitios reactivos. Las especies disueltas se eliminan más rápidamente, lo que contribuye a mantener la disolución.
En lo que respecta al tratamiento de las cenizas, estos efectos ofrecen varias ventajas prácticas:
- Lixiviación más rápida: Una mayor transferencia de masa puede reducir el tiempo necesario para extraer los metales accesibles.
- Mayores rendimientos de extracción: Un mejor contacto superficial puede ayudar a liberar el material que no se ha lixiviado lo suficiente con el mezclado convencional.
- Combinación con un tratamiento previo: La ultrasonida puede intensificar la fase de lixiviación una vez que la activación ha facilitado el acceso a las fases resistentes.
- Desarrollo flexible de procesos: La sonicación puede adaptarse a diferentes concentraciones de ácido, cargas de sólidos, temperaturas y tiempos de tratamiento.
Ejemplos de investigación: altos rendimientos y tiempos de lixiviación más cortos
Los siguientes estudios ilustran estas ventajas en condiciones experimentales específicas. El itrio es un elemento de tierras raras; el galio y el vanadio son otros metales valiosos. Su extracción aporta pruebas complementarias a favor del tratamiento ultrasónico de las cenizas.
Itrio y vanadio: extracción de hasta el 97 % y el 100 %
Masoum et al. (2021) investigaron la extracción de vanadio e itrio a partir de cenizas volantes de carbón utilizando ácido sulfúrico, peróxido de hidrógeno y ultrasonidos. Los investigadores aplicaron la metodología de superficie de respuesta para optimizar la relación sólido-líquido y las proporciones de ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno. En las condiciones optimizadas, la extracción alcanzada fue del 100 % para el vanadio y del 97 % para el itrio.
Un modelo modificado de núcleo que se contrae indicó que la difusión de masa controlaba la velocidad de reacción. Este hallazgo pone de relieve la importancia de los procesos de transporte en el sistema estudiado y respalda la necesidad de centrarse en la transferencia de masa durante la optimización del proceso. Los resultados demuestran que es posible lograr una alta extracción de itrio con el tratamiento combinado, aunque los rendimientos indicados reflejan el uso completo del reactivo y del sistema de ultrasonidos.
Imágenes FESEM de cenizas de carbón sin tratar: (a) a la izquierda, antes de la lixiviación de las cenizas de carbón; (b) después de la lixiviación por ultrasonidos.
Estudio e imágenes: ©Masoum et al., 2021
Galio y vanadio: 88,89 % de reducción del tiempo de lixiviación
Zhang et al. (2026) estudiaron la lixiviación ácida por ultrasonidos tras un tostado de activación con carbonato de sodio. El pretratamiento optimizado consistió en un tostado a 850 °C durante 60 minutos, utilizando una relación en masa entre las cenizas volantes y el Na₂CO₃ de 2:1. La lixiviación ácida ultrasónica posterior permitió obtener una alta extracción de galio y vanadio en un plazo de 20 minutos.
| Parámetro | Lixiviación ultrasónica tras el tueste de activación | Lixiviación convencional |
|---|---|---|
| Tiempo de lixiviación | Veinte minutos | 180 minutos |
| Eficiencia de lixiviación del galio | 98,14 % | 63,81 % |
| Eficiencia de lixiviación del vanadio | 92,32 % | 83,56 % |
La reducción de 180 a 20 minutos supone una reducción del 88,89 % en la duración de la etapa de lixiviación. El análisis cinético indicó un aumento de las constantes de velocidad y una mejora tanto en los procesos de transferencia de masa como en los de reacción interfacial. Estos resultados demuestran el potencial de combinar la calcinación de activación con la lixiviación ultrasónica. El ahorro de tiempo se aplica a la lixiviación; la calcinación sigue siendo una etapa adicional del proceso.
La lixiviación ácida mejorada por ultrasonidos funciona a un ritmo doce veces más rápido que la lixiviación ácida convencional, debido a la beneficiosa acción mecánica de las burbujas de cavitación que estallan cerca de la superficie. Este fenómeno mejora la mezcla de la solución ácida, mejorando así las propiedades de transporte.
Imagen y estudio: © Canciani et al., 2024
2 sonicadores industriales UIP4000hdT para procesos de alta resistencia
Desarrolla tu proceso de lixiviación ultrasónica para lograr una alta recuperación de tierras raras
En la extracción práctica de tierras raras, a la lixiviación le siguen la separación y la purificación de los elementos disueltos. Por lo tanto, una alta eficiencia de lixiviación constituye un resultado intermedio importante, más que el rendimiento de un producto final de tierras raras. La evaluación del proceso debería incluir la recuperación posterior, el uso de reactivos y la energía necesaria tanto para el pretratamiento como para la sonicación.
Hielscher ofrece sonicadores de sobremesa de grado industrial y reactores de flujo ultrasónicos de alta resistencia para el desarrollo y la puesta en práctica de procesos de lixiviación intensificados. La selección del equipo y las pruebas permiten determinar la amplitud, la carga de sólidos, el tiempo de residencia y el control de la temperatura adecuados para un tipo concreto de ceniza.
Fácil ampliación a grandes volúmenes: Una vez establecidos los parámetros para una recuperación óptima, estos pueden ampliarse de forma lineal a cualquier volumen de lixiviación comercial.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.
Imágenes SEM de partículas a diferentes tiempos de lixiviación convencional (a-c) y ultrasónica (d-f).
Imagen y estudio: © Canciani et al., 2024
Preguntas frecuentes
¿Cómo mejora el ultrasonido la lixiviación de tierras raras a partir de cenizas?
El ultrasonido genera cavitación acústica en la suspensión de lixiviación. El colapso de las burbujas produce una intensa mezcla local, fuerzas de cizallamiento y microchorros que mejoran el contacto entre las partículas de ceniza y la solución de lixiviación. Estos efectos dejan al descubierto superficies reactivas y aceleran la transferencia de masa, lo que contribuye a aumentar los rendimientos de extracción y a acortar los tiempos de lixiviación.
¿Qué elementos de tierras raras y metales valiosos se pueden extraer de las cenizas?
En función de su origen y composición mineral, las cenizas pueden someterse a un proceso de lixiviación para extraer elementos de tierras raras, entre los que se incluyen el lantano (La), el cerio (Ce), el neodimio (Nd), el disprosio (Dy), el itrio (Y) y el escandio (Sc). Las cenizas volantes de carbón son una fuente potencial de estos elementos.
Otros metales valiosos son el galio (Ga) y el vanadio (V), presentes en determinadas cenizas de carbón, y el cobre (Cu) y el zinc (Zn), presentes en las cenizas procedentes de la incineración de residuos municipales.
¿Por qué utilizar un sonicador de sonda de alta resistencia para la lixiviación de cenizas?
Un sonicador de sonda introduce energía ultrasónica directamente en la suspensión a través de un sonotrodo (sonda o varilla ultrasónica). Esto permite un tratamiento intensivo de las mezclas sólido-líquido y ofrece condiciones de procesamiento ajustables. Los equipos de sonicación industrial de Hielscher permiten su integración en circuitos de lixiviación, donde son esenciales un aporte de energía controlado y un funcionamiento fiable. La configuración debe adaptarse a la composición de la suspensión, la carga de sólidos y el rendimiento requerido.
A continuación se enumeran algunas de las aplicaciones de lixiviación de Hielscher:
¿Pueden funcionar de forma continua los sonicadores de Hielscher?
Sí. Los sonicadores industriales de Hielscher, como el UIP500hdT (500 W) y hasta el UIP16000hdT (16 000 W), están diseñados para un funcionamiento continuo las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Pueden configurarse para el tratamiento por lotes, la recirculación o el procesamiento continuo mediante una célula de flujo ultrasónica. Para la lixiviación de cenizas, se integra un sistema que incluye el bombeo de lechada, el control de temperatura y la composición química de lixiviación seleccionada.
¿Es posible ampliar la lixiviación ultrasónica a escala industrial?
Sí, los sonicadores de Hielscher permiten una ampliación lineal. Hielscher ofrece equipos para ensayos de laboratorio, procesamiento piloto y producción industrial, incluidos procesadores de 16 kW que pueden combinarse en grupos. La ampliación comienza con ensayos para determinar la amplitud, la potencia, la temperatura y el tiempo de residencia adecuados. Estos resultados sirven de base para seleccionar la capacidad del reactor y validar el rendimiento de la extracción al rendimiento requerido.
¿El ultrasonido sustituye a los ácidos o al tueste de activación?
Los ultrasonidos intensifican el proceso de lixiviación, mientras que los reactivos químicos aportan las propiedades químicas necesarias para disolver los elementos de interés. Algunas cenizas también pueden requerir un pretratamiento para hacer accesibles las fases minerales resistentes.
¿Qué parámetros del proceso se pueden supervisar?
Todos los sonicadores de Hielscher a partir de 200 vatios permiten supervisar y registrar automáticamente la amplitud, la potencia, el tiempo de tratamiento y la temperatura, y ofrecen la posibilidad de medir la presión mediante un sensor opcional. Estos datos ayudan a comparar los ensayos y a reproducir las condiciones de funcionamiento de forma fiable. La eficiencia en la extracción de elementos de tierras raras debe determinarse por separado mediante un análisis químico de la materia prima, el lixiviado y los sólidos restantes.
¿Se pueden utilizar equipos ultrasónicos con lodos de cenizas ácidos y abrasivos?
Hielscher Ultrasonics ofrece soluciones para la sonicación de lodos de cenizas ácidos y abrasivos. Los sonotrodos, las celdas de flujo, las juntas y otros componentes en contacto con el líquido deben seleccionarse teniendo en cuenta la composición ácida, la concentración, la temperatura y la abrasividad de las partículas.
¿Una mayor eficiencia de lixiviación implica una mayor recuperación final de tierras raras?
Sí, una mayor eficiencia de lixiviación significa que se transfiere una mayor cantidad del elemento objetivo a la fase líquida. Para obtener un producto de tierras raras apto para su uso, también es necesario llevar a cabo procesos posteriores de separación y purificación. La recuperación total depende del rendimiento del proceso en su conjunto.
¿Cómo elijo un sonicador de Hielscher para mi proceso?
Comience con muestras representativas de cenizas y defina los elementos objetivo, la concentración de la suspensión, la composición química de la lixiviación, el volumen del lote o el caudal, y el rendimiento de extracción deseado. En Hielscher podemos ayudarle a seleccionar el equipo necesario para realizar ensayos de viabilidad y el posterior escalado lineal. Nuestro centro técnico y nuestro laboratorio de procesos también ofrecen ensayos para facilitar la selección del equipo.
Literatura / Referencias
- Masoum, H.G., Rastegar, S.O. and Khamforoush, M. (2021): Ultrasound-Assisted Leaching of Vanadium and Yttrium from Coal Ash: Optimization, Kinetic and Thermodynamic Study. Chemical Engineering and Technology 44, 2021. x2249-2256.
- Qian Zhang, Deqing Zhu, Siwei Li, Jian Pan, Zhengqi Guo, Congcong Yang, Jiachen Gong (2026):
Ultrasonic enhanced leaching for the synergistic extraction of Ga and V from fly ash. Journal of Environmental Chemical Engineering, Volume 14, Issue 5, 2026. - Chiara Canciani, Elia Colleoni, Varaha P. Sarvothaman, Paolo Guida, William L. Roberts (2024): On the effect of cavitation on particles in leaching processes: implications to battery recycling. Environmental Advances, Volume 17, 2024.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.