La lixiviación ultrasónica transforma el reciclaje de baterías y la minería urbana
Las baterías usadas y los residuos electrónicos contienen abundantes materiales valiosos, como litio, níquel, manganeso y cobalto, esenciales para satisfacer la creciente demanda de los sectores de las energías renovables y los vehículos eléctricos. La minería urbana –el proceso de recuperar estos metales de baterías desechadas y otros residuos electrónicos– es una vía prometedora hacia una economía circular, ya que reduce la necesidad de extraer materias primas vírgenes y minimiza los residuos. Una técnica clave en este ámbito es la sonicación, que ha demostrado grandes ventajas al 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 decisivo para la recuperación sostenible de recursos
Un estudio reciente de Canciani et al. (2024) analiza los efectos de la cavitación ultrasónica –pequeñas ondas de choque generadas por ondas ultrasónicas de alta intensidad– sobre el proceso de lixiviación para el reciclaje de baterías. Su investigación demuestra que la sonicación no supone simplemente una mejora modesta del reciclaje tradicional; cambia de manera fundamental la interacción del proceso de reciclaje con el material de las baterías, haciéndolo más rápido, más eficiente y menos dependiente de productos químicos agresivos.
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La lixiviación ácida mejorada mediante ultrasonidos se realiza a una velocidad doce veces superior a la de la lixiviación ácida convencional, gracias a la beneficiosa acción mecánica de las burbujas de cavitación que colapsan cerca de la superficie. Este fenómeno mejora la mezcla de la solución ácida y, con ello, las propiedades de transporte.
Imagen y estudio: © Canciani et al., 2024
El sonicador UIP16000hdT procesa de forma fiable grandes caudales de suspensiones de residuos que contienen metales, facilitando la lixiviación de metales preciosos y minerales.
Cómo funciona la sonicación en el reciclaje de baterías
En el reciclaje habitual de baterías, los materiales del cátodo (que contienen metales valiosos) se disuelven en una solución ácida mediante un proceso denominado «lixiviación». Este método permite separar y recuperar los metales de la estructura sólida de la batería. Sin embargo, la lixiviación convencional requiere mucho tiempo y a menudo tarda horas en alcanzar una recuperación significativa de metales. También requiere ácidos fuertes y temperaturas elevadas, lo que suscita preocupación por su impacto ambiental.
La sonicación transforma este proceso al introducir ondas ultrasónicas directamente en la solución de lixiviación. En el estudio publicado en 2024 por Canciani et al., los investigadores probaron esta técnica con un material sustituto del material de las baterías: óxido de litio, cobalto, níquel y manganeso (NMC). Al aplicar ondas ultrasónicas con una frecuencia y una amplitud específicas, observaron que la cavitación ultrasónica reduce el tiempo de lixiviación en más de un 80%. El proceso pasó de durar horas a completarse en cuestión de minutos, lo que supone una mejora revolucionaria de la eficiencia.
El papel de la sonicación en la mejora de la lixiviación: la ciencia de la transferencia de masa y la velocidad
La sonicación no solo acelera la lixiviación; también cambia la forma en que la solución ácida interactúa con las partículas de la batería. Los ultrasonidos de alta potencia generan millones de burbujas microscópicas que colapsan rápidamente en la solución, un fenómeno conocido como cavitación. Esta acción genera intensas fuerzas locales que fragmentan las partículas superficiales y aumentan la interacción entre el ácido y los metales presentes en el material de la batería.
Según Canciani et al. (2024), este proceso tiene dos efectos principales sobre los materiales de las baterías: aumenta la porosidad de las partículas y reduce su tamaño, lo que incrementa drásticamente la superficie. Con una superficie mayor, el ácido puede interactuar más ampliamente con el material, facilitando así una lixiviación más rápida. Los autores observaron que el volumen de poros de las muestras sonicadas aumentó un orden de magnitud respecto al de las procesadas de forma convencional, creando más vías para que el ácido disuelva los metales presentes.
Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de partículas en distintos momentos de la lixiviación convencional (a–c) y ultrasónica (d–f).
Imagen y estudio: © Canciani et al., 2024
Sonicadores para la lixiviación en el reciclaje de baterías y la minería urbana.
Lixiviación ultrasónica: mejora de las propiedades de transporte y de la micromezcla
El estudio también sugiere que la cavitación ultrasónica no solo mejora el contacto superficial, sino que también mejora significativamente las propiedades de transporte. En esencia, esto significa que el ácido se distribuye de manera más uniforme entre las partículas de la batería, mientras que la micromezcla inducida por la cavitación garantiza una exposición homogénea. Así se obtiene un entorno de reacción homogeneizado que permite al ácido disolver los metales de forma más eficaz y uniforme.
Otro hallazgo destacable es que las ventajas de la cavitación ultrasónica van más allá de la reducción del tamaño de las partículas. Los investigadores observaron que la cavitación modifica el mecanismo de interacción entre el ácido y las partículas, probablemente debido a una mejora del transporte a través de la capa límite. En términos sencillos, la cavitación reduce el espesor de la capa de líquido que rodea cada partícula, lo que permite una disolución más rápida de los metales.
Distribuciones de tamaño de partícula tras la lixiviación ultrasónica y convencional
Imagen y estudio: © Canciani et al., 2024
Ventajas para la minería urbana y la sostenibilidad
La eficacia de la sonicación en el reciclaje de baterías ofrece un enorme potencial para el futuro de la minería urbana y la recuperación sostenible de recursos. Los resultados de Canciani et al. (2024) indican que la sonicación sustituirá las prácticas perjudiciales para el medio ambiente o reducirá la dependencia de ellas mediante:
- La reducción del uso de productos químicos: La lixiviación mejorada mediante ultrasonidos permite utilizar disolventes más respetuosos con el medio ambiente, como el ácido acético, en lugar de los ácidos más agresivos que suelen ser necesarios en la lixiviación convencional.
- La 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.
- El aumento de la recuperación de materiales: La mejora de la interacción superficial y el aumento de la porosidad maximizan las tasas de recuperación de metales valiosos, haciendo que el proceso de reciclaje sea económicamente viable y respetuoso con el medio ambiente.
Impacto más amplio en la industria de las baterías
A medida que se expanden 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 mediante sonicación ofrece una forma de recuperar estos metales de manera sostenible, reduciendo la carga ambiental de la minería y ofreciendo un enfoque de ciclo cerrado para la producción de baterías y su gestión al final de su vida útil.
El escalado de los métodos de reciclaje basados en la sonicación, la optimización de las combinaciones de disolventes y el perfeccionamiento de la aplicación de ondas ultrasónicas aumentarán aún más la eficiencia. Hielscher Ultrasonics le recomendará con mucho gusto la configuración ideal de sonicadores en línea para su proceso de lixiviación. ¡Póngase en contacto con nosotros ahora!
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Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO que pone especial énfasis en los ultrasonicadores de alto rendimiento con tecnología de vanguardia y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonicadores Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.
La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores:
| Volumen del lote | Caudal | Equipos 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 150 L | 3 a 15 L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | superior | conjunto de UIP16000 |
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Bibliografía / 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 mediante su disolución en un disolvente líquido, normalmente una solución ácida. Esta técnica descompone la matriz sólida, permitiendo que los iones metálicos pasen a la solución, de la que posteriormente pueden purificarse y recuperarse. La lixiviación se utiliza ampliamente en la minería y el reciclaje para recuperar metales de minerales y materiales residuales.
¿Cuál es la diferencia entre extracción y lixiviación?
La extracción y la lixiviación son procesos utilizados para separar sustancias valiosas de un material sólido, pero difieren en sus métodos y contextos. La extracción suele referirse a un conjunto más amplio de técnicas empleadas para retirar una sustancia específica, a menudo utilizando disolventes para separarla de otros componentes, y puede incluir 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 una solución ácida o alcalina. La lixiviación se utiliza habitualmente en procesos de minería, metalurgia y reciclaje. Mientras que la extracción puede aplicarse a diversas sustancias, la lixiviación implica específicamente la retirada selectiva de sustancias disueltas de sólidos mediante disolventes líquidos.
¿Qué sustancias se utilizan habitualmente para la lixiviación?
Las sustancias que se utilizan habitualmente para la lixiviación incluyen **ácidos**, **álcalis** y **disolventes**, según el material que se procese. Entre los agentes de lixiviación más utilizados se encuentran:
- Ácidos:
- Ácido sulfúrico: se utiliza a menudo 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: se utiliza habitualmente en la lixiviación de metales preciosos, especialmente oro y plata.
- Ácido acético: se utiliza en ocasiones en procesos de lixiviación respetuosos con el medio ambiente o basados en sustancias orgánicas.
- Álcalis:
Hidróxido de sodio (sosa cáustica): se utiliza en la extracción de alúmina a partir de bauxita o en la lixiviación de ciertos metales, como el oro y el zinc. - Disolventes:
- Cianuro: se utiliza habitualmente en la minería del oro y la plata para lixiviar oro a partir del mineral (cianuración).
- Amoníaco: se utiliza en la lixiviación de cobre y otros metales no preciosos.
Estas sustancias ayudan a disolver metales o minerales específicos de menas, materiales residuales u otros sólidos, facilitando la recuperación de materiales valiosos.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde escala de laboratorio hasta escala industrial.