Sono-electroobtención para la extracción industrial de metales

A medida que sigue aumentando la demanda mundial de cobre, níquel, cobalto, zinc, plata, oro, metales raros y materiales destinados a baterías, los productores de metales se ven presionados para recuperar más valor de minerales, concentrados, relaves, corrientes de reciclaje y materias primas de baja ley. En hidrometalurgia, una de las vías más consolidadas para recuperar metales es la electroobtención, también conocida como electroextracción: los iones metálicos disueltos se recuperan de una solución de lixiviación mediante la aplicación de una corriente eléctrica, que reduce los iones y deposita el metal sobre un cátodo.

Sono-electroobtención para mejorar la recuperación hidrometalúrgica de metales

La sono-electroobtención lleva este principio más allá al combinar 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 depender únicamente del potencial eléctrico y de la circulación convencional del electrolito, la sono-electroobtención introduce una mezcla local intensa directamente en la interfaz del electrodo o cerca de ella, donde se produce la deposición del metal. Numerosos estudios señalan 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 mayores velocidades de reacción electroquímica.

Sondas sonoelectroquímicas: 2 transductores ultrasónicos agitan el ánodo y el cátodo, respectivamente. Los sonoelectrodos o sondas sonoelectroquímicas 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 en una solución acuosa a partir de un mineral, concentrado, residuo de proceso, escoria, masa negra, residuo electrónico u otra materia prima metalúrgica. Según la composición química del metal y del mineral, el agente lixiviante puede ser ácido, alcalino, a base de cloruros, sulfatos o cianuros, amoniacal, a base de ácidos orgánicos o tener otra formulación química específica para disolver la fase metálica de valor.
Tras la lixiviación, la solución rica de lixiviación suele clarificarse, purificarse y ajustarse en cuanto a pH, conductividad, temperatura, concentración de metal y perfil de impurezas. En la celda de electroobtención, este electrolito que contiene metal 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 sono-electroobtención, se introducen ultrasonidos 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 de valor se disuelven en una solución a partir del mineral o de una materia prima secundaria.
• 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: Los ultrasonidos y la corriente eléctrica actúan simultáneamente en la celda de electroobtención.
• Recuperación del depósito catódico: Los depósitos metálicos se recogen en forma de placas, polvo, esponja, láminas u otras formas de depósito, según el diseño del proceso.
• Recirculación del electrolito: El electrolito empobrecido 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 únicamente la propia reacción eléctrica. También lo son el suministro de nuevos iones metálicos a la superficie del cátodo, la eliminación de productos de reacción y burbujas de gas, y el mantenimiento de una interfaz del electrodo activa, limpia y homogénea. Los ultrasonidos actúan directamente sobre estas limitaciones.
Cuando los ultrasonidos de alta potencia penetran en el electrolito, generan 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 producir mezcla localizada, micromezcla, dispersión, desaglomeración y un transporte interfacial acelerado.
La tecnología ultrasónica y sonoelectroquímica de Hielscher se centra en la cavitación acústica controlada para el procesamiento de líquidos, donde las ondas ultrasónicas generan campos de cavitación que producen cizallamiento, ondas de choque, microchorros y una transferencia de energía reproducible a fluidos, suspensiones y pulpas.
En la electroobtención, estos efectos son especialmente valiosos porque la reacción electroquímica se produce en una superficie. Los ultrasonidos pueden reducir los gradientes de concentración cerca del electrodo, comprimir o alterar la capa de difusión y aportar continuamente nuevos iones metálicos al cátodo. Trabajos recientes sobre el transporte de masa electroquímico mejorado por ultrasonidos describen un aumento de la corriente mediante la compresión de la capa de difusión inducida por corrientes acústicas, mientras que las investigaciones sobre electrodeposición asistida por ultrasonidos señalan una mejora del transporte de iones mediante la cavitación, los microflujos y los efectos de la presión acústica.

La sinergia: sonicación y electroquímica

La ventaja de la sono-electroobtención no consiste únicamente en que los ultrasonidos «agiten» la solución. Las Sono-Electro-Probes de Hielscher combinan sondas ultrasónicas y electrodos que introducen simultáneamente ultrasonidos de alta intensidad y corriente eléctrica en un sistema electroquímico. 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 esa reacción.
Esta sinergia puede generar varias ventajas de interés industrial:

• Mayor transferencia de masa: La sonicación mejora el suministro de iones metálicos disueltos a la superficie del cátodo y reduce el empobrecimiento local.
• Superficies de los electrodos más limpias: La cavitación y las corrientes acústicas ayudan a eliminar películas pasivantes, partículas débilmente adheridas, burbujas de gas y productos de reacción.
• Posibilidad de mejorar la eficiencia de corriente: Una interfaz del electrodo más activa puede reducir las pérdidas asociadas a la polarización por concentración y al bloqueo de la superficie, aunque la eficiencia final depende de la composición química del electrolito y de los parámetros de funcionamiento.
• Deposición más uniforme: La electrodeposición asistida por ultrasonidos se ha asociado con depósitos más lisos, densos y uniformes, y con estructuras de grano más fino.
• Cinética 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.
• Menores limitaciones por difusión: Al alterar la capa límite del electrodo, los ultrasonidos pueden favorecer una deposición más constante, incluso cuando las concentraciones de metal son relativamente bajas.
• Mejor manejo de electrolitos complejos: La agitación ultrasónica puede facilitar el procesamiento de suspensiones, partículas finas y licores de lixiviación difíciles de tratar, al mejorar la dispersión y reducir el estancamiento localizado.

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

Velocidades de disolución convencional y sonoelectroquímica de 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 sono-electroobtención reside en la intensificación del proceso. Es posible recuperar más metal en menos tiempo, con una mejor morfología del depósito y un funcionamiento más estable de la celda, siempre que la potencia de sonicación, la geometría de los electrodos, la composición del electrolito y la densidad de corriente se coordinen adecuadamente.

En términos prácticos, la sono-electroobtención favorece:

• Recuperación a partir de licores de lixiviación de baja ley: Una mejor transferencia de masa puede ayudar a mantener la deposición cuando las concentraciones de metal disuelto no son ideales.
• Mejor calidad del cátodo: Los depósitos más lisos y uniformes pueden simplificar las operaciones posteriores de desprendimiento del depósito, fusión, refinado o manejo de polvos.
• Menor tendencia al ensuciamiento: La renovación continua de la superficie puede reducir el efecto de la pasivación y de las películas superficiales no deseadas.
• Diseño de proceso más compacto: Una cinética más rápida puede permitir celdas más pequeñas o una mayor capacidad de procesamiento, según la química del proceso.
• Mayor recuperación a partir de recursos secundarios: La masa negra de baterías, los residuos electrónicos, los catalizadores, las escorias y los residuos industriales suelen generar soluciones de lixiviación complejas en las que resulta valioso intensificar la transferencia de masa.
• Mayor capacidad de control del proceso: Los sistemas ultrasónicos modernos pueden integrarse en montajes por lotes o continuos en línea y ajustarse mediante la amplitud, el tiempo de residencia, el caudal, la temperatura y el aporte de energía.

Los sistemas sonoelectroquímicos de Hielscher son únicos: el sonoelectrodo actúa simultáneamente como sonda ultrasónica y electrodo. Los montajes sonoelectroquímicos están diseñados para un procesamiento de líquidos escalable, desde los ensayos de laboratorio hasta el funcionamiento a escala piloto y la producción industrial en línea. Los ultrasonidos de alta potencia, la capacidad de funcionamiento continuo 24/7, la robustez de grado industrial y las reducidas necesidades de mantenimiento hacen que los sistemas sonoelectroquímicos de Hielscher sean ideales para la sono-electroobtención industrial.
El escalado lineal mediante parámetros controlados, como la amplitud, el aporte de energía, el caudal, la temperatura y el tiempo de residencia, facilita considerablemente el aumento de la capacidad de producción.

Sono-electroobtención 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 sono-electroobtención puede integrarse en esta etapa posterior de recuperación para intensificar la conversión de los iones metálicos disueltos en metal sólido.

Una secuencia de proceso típica puede ser la siguiente:

1. Se lixivia el mineral triturado, el concentrado, los relaves o la materia prima secundaria para disolver el metal objetivo.
2. Se elimina o se reduce la cantidad de ganga insoluble, sólidos residuales y fases no deseadas.
3. La solución rica de lixiviación se ajusta químicamente para la electroobtención selectiva.
4. El electrolito se introduce en una celda 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 deposita el metal sobre el cátodo.
6. Se recoge el producto metálico y el electrolito se recicla o se envía a un tratamiento posterior.

Esta combinación resulta especialmente interesante cuando la industria de extracción de metales necesita procesar recursos más difíciles de tratar. Muchas de las materias primas del futuro presentan leyes metálicas más bajas, más impurezas, partículas más finas, mezclas de distintas composiciones químicas o una composición variable. La sono-electroobtención ofrece una vía para hacer más robusta la etapa de recuperación electroquímica al mejorar 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 un pilar de la hidrometalurgia porque permite recuperar metales de soluciones acuosas en forma de productos sólidos de alto valor. La sono-electroobtención mejora la electroextracción convencional al mejorar la eficiencia de recuperación, la eficiencia de corriente y el consumo de energía.
Los efectos sinérgicos de los ultrasonidos de potencia y la electroobtención abordan las limitaciones físicas de la interfaz electroquímica y favorecen una recuperación de metales más intensiva, controlada y potencialmente más eficiente. En las operaciones mineras, de reciclaje y metalúrgicas, esta tecnología ayuda a salvar la distancia entre unas materias primas cada vez más complejas y la necesidad de vías de extracción más limpias, más selectivas y con mayor capacidad de procesamiento.

Sono-electroobtención como herramienta de intensificación de procesos

El futuro de la extracción de metales dependerá de recuperar más metal a partir de recursos más difíciles de tratar. Los minerales de alta ley están disminuyendo en muchas regiones, mientras aumenta la demanda de cobre, níquel, cobalto, metales relacionados con el litio, metales preciosos y elementos raros. Al mismo tiempo, la industria está ampliando su atención desde los minerales primarios hacia recursos secundarios, como baterías usadas, chatarra electrónica, catalizadores, residuos industriales y aguas de proceso.
La sono-electroobtención ofrece una estrategia atractiva de intensificación de procesos en este contexto. Al combinar la selectividad de la recuperación electroquímica de metales con la acción de la cavitación ultrasónica en la interfaz, puede mejorar la transferencia de masa, la actividad del electrodo, la morfología del depósito y la robustez del proceso. Para los operadores industriales, esto supone una vía más sólida desde los iones metálicos lixiviados hasta un producto metálico recuperable.
En resumen, la sono-electroobtención convierte la superficie del cátodo en una zona de reacción más dinámica. La sonicación mantiene activa la interfaz electroquímica; la electroquímica convierte los iones disueltos en metal; y, juntas, crean una potente plataforma para la extracción hidrometalúrgica moderna.

Sono-Electro-Probes y SonoElectroReactors de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics es su socio con una larga trayectoria y experiencia en sistemas ultrasónicos de alto rendimiento. Fabricamos y distribuimos sondas y reactores ultrasónicos de última generación, que se utilizan en todo el mundo para aplicaciones de trabajo intensivo en entornos exigentes. Para la sonoelectroquímica, Hielscher ha desarrollado sondas ultrasónicas especiales que pueden actuar como cátodo y/o ánodo, así como celdas de reactor ultrasónico adecuadas para reacciones electroquímicas. Hay electrodos y celdas ultrasónicos disponibles tanto para sistemas galvánicos / voltaicos como para sistemas electrolíticos.
 

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Bibliografía / Referencias

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