Extracción de metales mediante sonoelectrolisis para uso industrial

A medida que sigue aumentando la demanda mundial de cobre, níquel, cobalto, zinc, plata, oro, metales raros y materiales relacionados con las baterías, los productores de metales se ven presionados para obtener un mayor valor de los minerales, los concentrados, los residuos de extracción, los flujos reciclados y las materias primas de baja ley. En hidrometalurgia, una de las vías más consolidadas para la recuperación de metales es la electrolisis, también conocida como electroextracción: los iones metálicos disueltos se recuperan de una solución de lixiviación mediante la aplicación de una corriente eléctrica, lo que reduce los iones y deposita el metal en un cátodo.

Electroobtención por ultrasonidos para mejorar la recuperación hidrometalúrgica de metales

La electroobtención por ultrasonidos desarrolla este principio combinando la electroobtención con ultrasonidos de alta intensidad. El resultado es un proceso sonoelectroquímico en el que la cavitación acústica, las microcorrientes y la reducción electroquímica actúan conjuntamente. En lugar de basarse únicamente en el potencial eléctrico y en la circulación convencional del electrolito, la electroobtención por ultrasonidos introduce una intensa mezcla local directamente en la interfaz del electrodo o cerca de ella, donde se produce realmente la deposición del metal. Se ha demostrado ampliamente que los ultrasonidos mejoran el transporte de masa, alteran la capa de difusión, limpian las superficies de los electrodos, eliminan las burbujas de gas y favorecen unas velocidades electroquímicas más elevadas.

Sondeos electroacústicos: dos transductores ultrasónicos agitan el ánodo y el cátodo, respectivamente. Los electrodo-sondas o sondeos electroacústicos actúan simultáneamente como electrodos y sondas ultrasónicas para mejorar la electroobtención.

Del mineral al cátodo: cómo funciona la sonoelectrodeposición

La electroobtención industrial suele comenzar con la lixiviación. En esta etapa previa, el metal objetivo se disuelve a partir de un mineral, un concentrado, un residuo de proceso, una escoria, una masa negra, residuos electrónicos u otra materia prima metalúrgica, pasando a formar parte de una solución acuosa. Dependiendo del metal y de la composición química del mineral, el lixiviante puede ser ácido, alcalino, a base de cloruro, a base de sulfato, a base de cianuro, amoniacal, a base de ácidos orgánicos o estar adaptado químicamente de cualquier otra forma para disolver la fase metálica valiosa.
Tras la lixiviación, la solución de lixiviación rica en metales suele clarificarse, purificarse y ajustarse en cuanto a pH, conductividad, temperatura, concentración de metales y perfil de impurezas. En la celda de electroobtención, este electrolito que contiene metales fluye entre un ánodo y un cátodo. Cuando se aplica una corriente controlada, los iones metálicos disueltos migran y se reducen en la superficie del cátodo, donde forman un depósito metálico sólido. En la electroobtención por ultrasonidos, se introduce ultrasonido en este entorno electroquímico para que la energía acústica intensifique el transporte de iones y la renovación de la capa límite del electrodo.

En términos sencillos, la secuencia del proceso es la siguiente:

• Lixiviación: Los metales preciosos se disuelven a partir del mineral o de la materia prima secundaria para obtener una solución.
• Acondicionamiento de la solución: El licor de lixiviación se purifica o se ajusta para mejorar la selectividad y el comportamiento de la deposición.
• Deposición sonoelectroquímica: En la célula de electroobtención, el ultrasonido y la corriente eléctrica actúan simultáneamente.
• Recuperación del cátodo: Los depósitos metálicos se recogen en forma de láminas, polvo, esponja, papel de aluminio u otras formas, dependiendo del diseño del proceso.
• Recirculación de electrolitos: El electrolito agotado puede regenerarse, reciclarse o devolverse al circuito hidrometalúrgico.

¿Por qué la sonicación mejora la electroobtención?

El principal cuello de botella en muchos sistemas de electroobtención no es solo la reacción eléctrica en sí misma, sino también el suministro de iones metálicos frescos a la superficie del cátodo, la eliminación de los productos de reacción y las burbujas de gas, y el mantenimiento de una interfaz de electrodo activa, limpia y homogénea. Los ultrasonidos abordan directamente estas limitaciones.
Cuando el ultrasonido de alta potencia penetra en el electrolito, se produce cavitación acústica: se forman burbujas microscópicas que oscilan y colapsan. Estos colapsos generan microchorros, ondas de choque y un intenso cizallamiento local. En el procesamiento en fase líquida, esto puede dar lugar a una mezcla localizada, una micromezcla, una dispersión, una desaglomeración y un transporte interfacial acelerado.
La tecnología ultrasónica y sonoeléctrica de Hielscher se basa en la cavitación acústica controlada para el tratamiento de líquidos, en la que las ondas ultrasónicas generan campos de cavitación que producen cizallamiento, ondas de choque, microchorros y una transferencia de energía reproducible en fluidos, suspensiones y lodos.
En la electroobtención, estos efectos resultan especialmente valiosos, ya que la reacción electroquímica tiene lugar en una superficie. Los ultrasonidos pueden reducir los gradientes de concentración cerca del electrodo, comprimir o romper la capa de difusión y aportar continuamente nuevos iones metálicos al cátodo. Estudios recientes sobre el transporte de masa electroquímico potenciado por ultrasonidos describen el aumento de la intensidad de la corriente mediante la compresión de la capa de difusión impulsada por el flujo acústico, mientras que las investigaciones sobre la electrodeposición asistida por ultrasonidos señalan una mejora en el transporte de iones gracias a la cavitación, los microflujos y los efectos de la presión acústica.

La sinergia: sonicación y electroquímica

La ventaja de la electroobtención por ultrasonidos no radica únicamente en que el ultrasonido “remueve” La solución. Las sondas Sono-Electro-Probes de Hielscher combinan sondas ultrasónicas y electrodos que introducen simultáneamente ultrasonidos de alta intensidad y corriente eléctrica en un sistema electroquímico. En este sentido, la clave reside en el acoplamiento sinérgico de dos campos de energía: la energía eléctrica impulsa la reacción de reducción de los iones metálicos, mientras que la energía acústica mejora las condiciones físicas e interfaciales en las que tiene lugar dicha reacción.
Esta sinergia puede generar varias ventajas relevantes desde el punto de vista industrial:

• Mayor transferencia de masa: La sonicación mejora el aporte de iones metálicos disueltos a la superficie del cátodo, lo que reduce el agotamiento local.
• Superficies de los electrodos más limpias: La cavitación y la corriente acústica ayudan a eliminar las películas de pasivación, las partículas poco adheridas, las burbujas de gas y los productos de reacción.
• Mayor potencial de eficiencia de corriente: Una interfaz de electrodo más activa puede reducir las pérdidas asociadas a la polarización por concentración y a la obstrucción de la superficie, aunque la eficiencia final depende de la composición química del electrolito y de los parámetros de funcionamiento.
• Una deposición más uniforme: La electrodeposición asistida por ultrasonidos se ha relacionado con depósitos más lisos, densos y uniformes, así como con estructuras de grano más fino.
• Cinetica de electrodeposición más rápida: La mejora de la transferencia de masa y la activación de la superficie pueden permitir mayores velocidades de deposición en condiciones optimizadas.
• Limitaciones de la difusión reducida: Al alterar la capa límite en el electrodo, los ultrasonidos pueden favorecer una deposición más uniforme, incluso cuando las concentraciones de metal son relativamente bajas.
• Mejor gestión de los electrolitos complejos: La agitación ultrasónica puede facilitar el tratamiento de suspensiones, partículas finas y lixiviados difíciles, al mejorar la dispersión y reducir el estancamiento localizado.

Esto hace que la electroobtención sónica resulte especialmente atractiva para los circuitos hidrometalúrgicos en los que la electroobtención convencional se ve limitada por una cinética lenta, una morfología deficiente del depósito, la polarización por concentración, la acumulación de residuos en los electrodos, la cobertura por burbujas de gas o una baja concentración de iones metálicos.

Velocidades de disolución convencionales frente a las sonoelectroquímicas de los electrodos de Pt.
Estudio y gráficos: ©Vasile et al., 2021

Ventajas industriales para la extracción de metales

En la extracción industrial de metales, el valor de la sonoelectroobtención radica en la intensificación del proceso. Es posible recuperar más metal en menos tiempo, con una morfología del depósito mejorada y un funcionamiento más estable de la célula, siempre que la potencia de sonicación, la geometría de los electrodos, la composición del electrolito y la densidad de corriente estén adecuadamente ajustadas entre sí.

En la práctica, la electroobtención sónica permite:

• Recuperación a partir de lixiviados de baja ley: Una mejor transferencia de masa puede ayudar a mantener la deposición cuando las concentraciones de metal disuelto no son las ideales.
• Mejora de la calidad del cátodo: Unos depósitos más lisos y uniformes pueden facilitar las operaciones posteriores de separación, fundición, refinado o manipulación del polvo.
• Menor tendencia a las incrustaciones: La renovación continua de la superficie puede reducir el impacto de la pasivación y de las películas superficiales no deseadas.
• Diseño del proceso más compacto: Una cinética más rápida puede permitir el uso de celdas más pequeñas o un mayor rendimiento, dependiendo de la química del proceso.
• Recuperación mejorada a partir de recursos secundarios: La masa negra de las baterías, los residuos electrónicos, los catalizadores, las escorias y los residuos industriales suelen generar soluciones de lixiviación complejas en las que resulta útil intensificar la transferencia de masa.
• Mayor control del proceso: Los sistemas ultrasónicos modernos pueden integrarse en configuraciones en línea, tanto discontinuas como continuas, y ajustarse mediante la amplitud, el tiempo de residencia, el caudal, la temperatura y la energía aplicada.

Los sistemas sono-eléctricos de Hielscher son únicos: el sono-electrodo actúa simultáneamente como sonda ultrasónica y como electrodo. Las configuraciones sono-eléctricas están diseñadas para el procesamiento escalable de líquidos, desde ensayos de laboratorio hasta operaciones piloto y producción industrial en línea. El ultrasonido de alta potencia, la capacidad de funcionamiento continuo las 24 horas del día, los 7 días de la semana, la robustez de grado industrial y el bajo mantenimiento hacen que los sistemas sono-eléctricos de Hielscher sean ideales para la extracción sono-eléctrica industrial.
La ampliación lineal mediante parámetros controlados, como la amplitud, la energía aportada, el caudal, la temperatura y el tiempo de residencia, facilita un aumento significativo de la capacidad de producción.

Electroobtención por ultrasonidos en la cadena de lixiviación-electroobtención

En una planta hidrometalúrgica convencional, la electroobtención suele situarse después de la lixiviación, la separación sólido-líquido, la purificación y, en ocasiones, la extracción con disolventes o el intercambio iónico. La electroobtención ultrasónica puede integrarse en esta etapa de recuperación posterior para intensificar la conversión de los iones metálicos disueltos en metal sólido.

Una ruta de proceso típica podría ser la siguiente:

1. El mineral triturado, el concentrado, los residuos o la materia prima secundaria se someten a un proceso de lixiviación para disolver el metal de interés.
2. Se eliminan o reducen la ganga insoluble, los sólidos residuales y las fases no deseadas.
3. La solución de lixiviación concentrada se ajusta químicamente para la extracción electrolítica selectiva.
4. El electrolito se introduce en una célula de electroobtención equipada con sonoelectrodos y un sistema de circulación.
5. La sonicación mejora el transporte de iones y la renovación de la superficie del electrodo, mientras que la corriente aplicada recubre el cátodo con metal.
6. Se extrae el producto metálico y el electrolito se recicla o se envía a un tratamiento posterior.

Esta combinación resulta especialmente interesante en aquellos casos en los que la industria de la extracción de metales necesita procesar recursos más complejos. Muchas de las materias primas del futuro contienen menores concentraciones de metal, más impurezas, partículas más finas, composiciones químicas mixtas o una composición variable. La electroobtención sónica ofrece una vía para hacer más robusta la etapa de recuperación electroquímica, mejorando la interacción entre el electrolito y la superficie del electrodo.

Recuperación sonoelectroquímica de metales: mayores rendimientos con menores costes de proceso

La electroobtención ya es una piedra angular de la hidrometalurgia, ya que permite recuperar metales de soluciones acuosas en forma de productos sólidos de gran valor. La electroobtención por ultrasonidos mejora la electroextracción convencional al aumentar la eficiencia de recuperación, la eficiencia de la corriente y reducir el consumo de energía.
Los efectos sinérgicos del ultrasonido de alta potencia y la electroobtención superan las limitaciones físicas de la interfaz electroquímica y permiten una recuperación de metales más intensiva, controlada y, potencialmente, más eficiente. En el ámbito de la minería, el reciclaje y las operaciones metalúrgicas, esta tecnología contribuye a salvar la brecha entre unas materias primas cada vez más complejas y la necesidad de vías de extracción más limpias, más selectivas y de mayor rendimiento.

La electroobtención por ultrasonidos como herramienta de intensificación de procesos

El futuro de la extracción de metales dependerá de la capacidad de recuperar más metal a partir de recursos más difíciles. Los yacimientos de alta ley están disminuyendo en muchas regiones, mientras que la demanda de cobre, níquel, cobalto, metales relacionados con el litio, metales preciosos y elementos raros va en aumento. Al mismo tiempo, la industria está ampliando su enfoque, pasando de los minerales primarios a los recursos secundarios, como las baterías usadas, los residuos electrónicos, los catalizadores, los residuos industriales y las aguas de proceso.
La electroobtención por ultrasonidos ofrece una estrategia muy interesante de intensificación del proceso en este contexto. Al combinar la selectividad de la recuperación electroquímica de metales con la potencia interfacial de la cavitación ultrasónica, permite mejorar la transferencia de masa, la actividad de los electrodos, la morfología de los depósitos y la robustez del proceso. Para los operadores industriales, esto supone una vía más sólida para pasar de los iones metálicos lixiviados al producto metálico recuperable.
En resumen, la electroobtención sónica convierte la superficie del cátodo en una zona de reacción más dinámica. La sonicación mantiene activa la interfaz electroquímica; la electroquímica transforma los iones disueltos en metal; y, juntas, crean una potente plataforma para la extracción hidrometalúrgica moderna.

Sondas sonoeléctricas y sonoelectro-reactores de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics es su socio experimentado desde hace muchos años para sistemas ultrasónicos de alto rendimiento. Fabricamos y distribuimos sondas y reactores ultrasónicos de última generación, que se utilizan en todo el mundo para aplicaciones pesadas en entornos exigentes. Para la sonoelectroquímica, Hielscher ha desarrollado sondas ultrasónicas especiales, que pueden actuar como cátodo y/o ánodo, así como celdas de reactores ultrasónicos adecuadas para reacciones electroquímicas. Los electrodos y celdas ultrasónicos están disponibles para sistemas galvánicos/voltáicos y electrolíticos.
 

Póngase en contacto con nosotros e infórmenos sobre los requisitos de su proceso electroquímico. Le recomendaremos los electrodos ultrasónicos y la configuración del reactor más adecuados.
 

Literatura / Referencias

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Abaratizar los metales preciosos: Un método sonoelectroquímico —de cavitación hidrodinámica— para reciclar metales del grupo del platino a partir de catalizadores de automóvil usados. Ultrasonics Sonochemistry, volumen 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): El proceso Sono-Hydro-Gen (producción de hidrógeno inducida por ultrasonidos): retos y oportunidades. Revista Internacional de Energía del Hidrógeno, volumen 44, número 29, 2019, 14500-14526.
• Yurdal, K.; Karahan, İ.H. (2017): Estudio de voltamperometría cíclica sobre la electrodeposición de películas de aleación de Cu-Zn: efecto del tiempo de tratamiento con ultrasonidosActa Physica Polonica, vol. 132, 2017, pp. 1087-1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): Introducción a la sonoelectroquímica En: «Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution», primera edición. Editado por Bruno G. Pollet. 2012, John Wiley & Sons, S.L.
• Haas, I.: Reflexiones A. (2008): Síntesis de nanopartículas de magnesio metálico mediante sonoelectroquímica. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795-1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri, R. (2014): Síntesis sonoelectroquímica y electroquímica de películas de polipirrol sobre acero St-12 y estudios sobre su corrosión y morfología. Advances in Polymer Technology, vol. 33, n.º 3; 2014.
• La síntesis sonoelectroquímica mejora la eficacia de la fabricación química