La lixiviación por ultrasonidos transforma el reciclaje de baterías y la minería urbana
Las pilas usadas y los residuos electrónicos están repletos de materiales valiosos como el litio, el níquel, el manganeso y el cobalto, esenciales para la creciente demanda en los sectores de las energías renovables y los vehículos eléctricos. La minería urbana -el proceso de recuperación de estos metales a partir de baterías desechadas y otros residuos electrónicos- es una vía prometedora hacia una economía circular, ya que reduce la necesidad de minería virgen y minimiza los residuos. Una técnica clave en este campo es la sonicación, que ha demostrado enormes ventajas a la hora de aumentar las tasas de recuperación de metales, reducir los tiempos de procesamiento y mejorar la sostenibilidad.
El poder de la sonicación en el reciclaje de baterías y la minería urbana: Un cambio de juego para la recuperación sostenible de recursos
Un estudio reciente de Canciani et al. (2024) explora los efectos de la cavitación ultrasónica -pequeñas ondas de choque creadas por ondas ultrasónicas de alta intensidad- en el proceso de lixiviación para el reciclado de pilas. Su investigación demuestra que la sonicación no es sólo una modesta mejora del reciclado tradicional, sino que cambia fundamentalmente la forma en que el proceso de reciclado interactúa con el material de las pilas, haciéndolo más rápido, más eficaz y menos dependiente de productos químicos agresivos.
Más información sobre las conclusiones del estudio
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
El Sonicator UIP16000hdT procesa de forma fiable grandes caudales de lodos residuales que contienen metales, facilitando la lixiviación de metales preciosos y minerales.
Cómo funciona la sonicación en el reciclado de baterías
En el reciclaje típico de pilas, los materiales catódicos (que contienen metales valiosos) se disuelven en una solución ácida, un proceso denominado “lixiviación.” Este enfoque permite separar y recuperar los metales de la estructura sólida de la pila. Sin embargo, la lixiviación convencional requiere mucho tiempo, a menudo horas, para lograr una recuperación significativa del metal. También requiere ácidos fuertes y altas temperaturas, lo que suscita preocupación por el impacto ambiental.
La sonicación transforma este proceso añadiendo ondas ultrasónicas directamente a la solución de lixiviación. En el estudio publicado en 2024 por Canciani y otros, los investigadores probaron esta técnica con un material de batería sustitutivo, el óxido de litio, cobalto, níquel y manganeso (NMC). Aplicando ondas ultrasónicas a una frecuencia y amplitud específicas, descubrieron que la cavitación ultrasónica reduce el tiempo de lixiviación en más de un 80%. El proceso pasó de durar horas a ser cuestión de minutos, lo que supuso una mejora revolucionaria de la eficacia.
El papel de la sonicación en la lixiviación mejorada: la ciencia detrás de la transferencia de masa y la velocidad
La sonicación no sólo acelera la lixiviación, sino que cambia la forma en que la solución ácida interactúa con las partículas de la pila. Los ultrasonidos de alta potencia crean millones de burbujas microscópicas que se colapsan rápidamente en la solución, un fenómeno conocido como cavitación. Esta acción genera intensas fuerzas locales que rompen las partículas de la superficie y aumentan la interacción entre el ácido y los metales del material de la pila.
Según Canciani et al. (2024), este proceso tiene dos efectos principales en los materiales de las pilas: aumenta la porosidad de las partículas y reduce su tamaño, lo que provoca un aumento espectacular de la superficie. Con una mayor superficie, el ácido puede interactuar más extensamente con el material, facilitando así una lixiviación más rápida. Los autores observaron que el volumen de poros en las muestras sonicadas aumentaba en un orden de magnitud en comparación con las procesadas convencionalmente, lo que creaba más vías para que el ácido disolviera el contenido metálico.
Imágenes SEM de partículas a diferentes tiempos de lixiviación convencional (a-c) y ultrasónica (d-f).
Imagen y estudio: © Canciani et al., 2024
Sonicadores para la lixiviación en el reciclado de baterías y la minería urbana.
Lixiviación ultrasónica: mejora de las propiedades de transporte y micromezcla
El estudio también sugiere que la cavitación ultrasónica no sólo mejora el contacto superficial, sino que también mejora significativamente las propiedades de transporte. Esencialmente, esto significa que la distribución del ácido a través de las partículas de la batería se hace más uniforme, con una micromezcla inducida por la cavitación que garantiza una exposición uniforme. Esto conduce a un entorno de reacción homogeneizado, que permite al ácido disolver los metales de forma más eficaz y uniforme.
Otro hallazgo notable es que los beneficios de la cavitación ultrasónica van más allá de la reducción del tamaño de las partículas. Los investigadores descubrieron que la cavitación cambia el mecanismo de interacción entre el ácido y las partículas, probablemente debido a la mejora del transporte de la capa límite. En términos sencillos, la cavitación reduce el grosor de la capa líquida que rodea cada partícula, lo que permite una disolución más rápida del metal.
Distribuciones granulométricas tras lixiviación ultrasónica y convencional
Imagen y estudio: © Canciani et al., 2024
Beneficios para la minería urbana y la sostenibilidad
La eficacia de la sonicación en el reciclaje de pilas encierra un enorme potencial para el futuro de la minería urbana y la recuperación sostenible de recursos. Las conclusiones de Canciani et al. (2024) indican que la sonicación sustituirá o reducirá la dependencia de prácticas perjudiciales para el medio ambiente al:
- Reducción del uso de productos químicos: La lixiviación mejorada por ultrasonidos permite utilizar disolventes más ecológicos, como el ácido acético, en lugar de los ácidos más fuertes que suelen necesitarse para la lixiviación convencional.
- Reducción de las necesidades energéticas: Con la sonicación, la lixiviación se produce rápidamente a temperatura ambiente en lugar de requerir un calentamiento prolongado, lo que reduce el consumo de energía y las emisiones.
- Aumento de la recuperación de materiales: La mejora de la interacción superficial y de la porosidad maximiza los índices de recuperación de metales valiosos, haciendo que el proceso de reciclado sea económicamente viable y respetuoso con el medio ambiente.
Impacto más amplio en el sector de las baterías
A medida que crecen los vehículos eléctricos y las tecnologías de energías renovables, se dispara la demanda de baterías y, por extensión, de los metales que contienen. La minería urbana con reciclaje mejorado por sonicación ofrece un medio para recuperar estos metales de forma sostenible, reduciendo la carga medioambiental de la minería y ofreciendo un enfoque de circuito cerrado para la producción y eliminación de baterías.
La ampliación de los métodos de reciclado basados en la sonicación, la optimización de las combinaciones de disolventes y el perfeccionamiento de la aplicación de ondas ultrasónicas aumentarán aún más la eficacia. Hielscher Ultrasonics estará encantado de recomendarle la configuración en línea del sonicador ideal para su proceso de lixiviación. Póngase en contacto con nosotros.
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Los ultrasonidos de Hielscher son conocidos por sus elevados estándares de calidad y diseño. Su robustez y fácil manejo permiten una integración sin problemas de nuestros ultrasonidos en las instalaciones industriales. Los ultrasonidos de Hielscher soportan sin problemas las condiciones más duras y los entornos más exigentes.
Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonidos de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonidos de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min. | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 a 150L | De 3 a 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | Grupo de UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.
Literatura / Referencias
- 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.
- Wang, J.; Faraji, F.; Ghahreman, A. (2020): Effect of Ultrasound on the Oxidative Copper Leaching from Chalcopyrite in Acidic Ferric Sulfate Media. Minerals 2020, 10, 633.
- J.L Luque-Garcı́a, M.D Luque de Castro (2003): Ultrasound: a powerful tool for leaching. TrAC Trends in Analytical Chemistry, Volume 22, Issue 1, 2003. 41-47.
Preguntas frecuentes
¿Qué es el proceso de lixiviación?
El proceso de lixiviación es un método utilizado para extraer metales valiosos de materiales sólidos disolviéndolos en un disolvente líquido, normalmente una solución ácida. Esta técnica rompe la matriz sólida, permitiendo que los iones metálicos pasen a la solución, a partir de la cual pueden purificarse y recuperarse. La lixiviación se aplica ampliamente en la minería y el reciclaje para recuperar metales de minerales y materiales de desecho.
¿Cuál es la diferencia entre extracción y lixiviación?
Tanto la extracción como la lixiviación se refieren a procesos utilizados para separar sustancias valiosas de un material sólido, pero difieren en métodos y contextos. En general, la extracción se refiere a una gama más amplia de técnicas utilizadas para eliminar una sustancia específica, a menudo utilizando disolventes para separarla de otros componentes, y puede implicar diversos métodos físicos, químicos o térmicos. La lixiviación, por su parte, es un tipo específico de extracción que consiste en disolver metales u otros solutos de un sólido en un líquido, normalmente mediante el uso de una solución ácida o alcalina. La lixiviación se utiliza habitualmente en minería, metalurgia y procesos de reciclado. Aunque la extracción puede aplicarse a una variedad de sustancias, la lixiviación implica específicamente la eliminación selectiva de sustancias disueltas en sólidos mediante el uso de disolventes líquidos.
¿Cuáles son las sustancias típicas utilizadas para la lixiviación?
Las sustancias típicas utilizadas para la lixiviación incluyen **ácidos**, **alcalinos** y **disolventes** dependiendo del material que se esté procesando. Los agentes de lixiviación más utilizados son:
- Ácidos:
- Ácido sulfúrico: A menudo utilizado en la extracción de cobre, níquel y uranio.
- Ácido clorhídrico: Se utiliza en la lixiviación de metales como el cobre y el oro.
- Ácido nítrico: Típicamente utilizado en la lixiviación de metales preciosos, especialmente oro y plata.
- Ácido acético: A veces se utiliza en procesos de lixiviación ecológicos o de base orgánica.
- Alcalinos:
Hidróxido de sodio (sosa cáustica): Se utiliza en la extracción de alúmina del mineral de bauxita o en la lixiviación de ciertos metales como el oro y el zinc. - Disolventes:
- Cianuro: Comúnmente utilizado en la minería de oro y plata para la lixiviación del oro del mineral (cianuración).
- Amoníaco: Utilizado en la lixiviación del cobre y otros metales comunes.
Estas sustancias ayudan a disolver metales o minerales específicos de menas, materiales de desecho u otros sólidos, facilitando la recuperación de materiales valiosos.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.