Lixiviación ultrasónica de metales preciosos

Los ultrasonidos de potencia son una técnica eficaz para extraer metales, como los metales preciosos y las tierras raras. Este proceso de extracción sólido-líquido asistida por ultrasonidos se conoce como sonolixiviación, lixiviación o lavado. Los ultrasonicadores industriales robustos se pueden instalar fácilmente para lixiviar tierras raras de minerales, tratar pulpas mineras para lograr una recuperación más completa o separar metales de alto valor (p. ej., Cu, Zn, Ni) de otros de menor valor.

La lixiviación ultrasónica favorece la reacción mediante la transferencia de masa y la disolución, lo que permite obtener mayores rendimientos en menos tiempo de extracción.
Las principales ventajas de la lixiviación ultrasónica son:

• mayor rendimiento
• lixiviación más completa
• menor consumo de reactivos
• condiciones más suaves
• pruebas de viabilidad sencillas
• escalado lineal
• fácil instalación de sistemas de ultrasonidos a escala comercial plena
• ultrasonicadores muy robustos para corrientes de gran volumen

Lixiviación ultrasónica de metales preciosos: extracción más rápida mediante la química de la cavitación

La recuperación de metales preciosos como el oro, la plata, el platino, el paladio y el rodio es un pilar de la metalurgia y el reciclaje modernos – especialmente en el procesamiento de minerales, concentrados y recursos secundarios, como la chatarra electrónica y los convertidores catalíticos. Aunque la lixiviación convencional está bien establecida, a menudo se ve limitada por una transferencia de masa lenta, la pasivación superficial, la liberación incompleta de las fases valiosas y un elevado consumo de reactivos.
La lixiviación ultrasónica aborda muchos de estos cuellos de botella al introducir ultrasonidos de alta intensidad en la pulpa de lixiviación, intensificando notablemente la cinética de reacción mediante un fenómeno conocido como cavitación acústica.

El mecanismo fundamental: cavitación acústica

Cuando se acoplan ultrasonidos de alta potencia a un líquido, se crean burbujas microscópicas de cavitación que se forman y colapsan rápidamente. Este colapso genera condiciones extremas localizadas, entre ellas:

• micromezcla intensa y fuerzas de cizallamiento
• microchorros de alta velocidad dirigidos hacia las superficies sólidas
• puntos calientes localizados (temperaturas y presiones muy elevadas durante microsegundos)

Aunque estos efectos se producen a escala microscópica, influyen considerablemente en el proceso macroscópico de lixiviación al renovar continuamente la superficie reactiva y acelerar el transporte de reactivos hacia y desde las partículas sólidas.

La lixiviación ácida intensificada por ultrasonidos se desarrolla a una velocidad doce veces mayor que la lixiviación ácida convencional, debido a la acción mecánica beneficiosa de las burbujas de cavitación que estallan 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

Por qué los ultrasonidos mejoran la lixiviación de metales preciosos

En la mayoría de los sistemas de lixiviación, la etapa que limita la velocidad no es la propia reacción química, sino el transporte de los reactivos a través de capas límite, poros o películas superficiales pasivantes. La cavitación ultrasónica mejora la eficiencia de la lixiviación mediante varios efectos sinérgicos:

1. Mejora de la transferencia de masa
   Los ultrasonidos reducen el espesor de la capa de difusión estancada que rodea las partículas sólidas. Esto permite que los agentes lixiviantes (p. ej., cianuro, tiosulfato, cloruro, yoduro, tiourea o sistemas ácidos) alcancen más rápidamente la superficie que contiene el metal, mientras que los complejos metálicos disueltos se retiran con mayor eficiencia.
2. Activación de la superficie de las partículas
   Los microchorros y las ondas de choque de la cavitación erosionan, limpian y aumentan continuamente la rugosidad de las superficies de las partículas. Esto expone nuevas fases minerales y aumenta el área reactiva efectiva – algo especialmente importante en minerales refractarios o partículas recubiertas.
3. Ruptura de las capas de pasivación
   Muchos minerales que contienen metales preciosos forman capas superficiales durante la lixiviación (p. ej., óxidos, sulfatos, azufre elemental o películas de sílice). Los ultrasonidos pueden romper físicamente estas barreras y restablecer el acceso del agente lixiviante a la fase metálica subyacente.
4. Mejora de la penetración en sólidos porosos
   En concentrados, catalizadores y partículas de residuos electrónicos, los ultrasonidos ayudan a impulsar el líquido hacia los poros y las microgrietas, mejorando el acceso de los reactivos a los metales preciosos alojados en su interior.

Distribuciones de tamaños de partícula tras la lixiviación ultrasónica y convencional
Imagen y estudio: © Canciani et al., 2024

Aplicaciones: de los minerales a la minería urbana

La lixiviación ultrasónica se investiga cada vez más tanto para recursos primarios como secundarios:

• Oro y plata
  Se ha demostrado que los ultrasonidos de potencia aceleran la lixiviación del oro con cianuro y agentes lixiviantes alternativos al mejorar el transporte y eliminar los efectos de la pasivación. También son relevantes para la recuperación de plata a partir de minerales y residuos industriales.
• Metales del grupo del platino (PGMs)
  La recuperación de platino, paladio y rodio – especialmente a partir de convertidores catalíticos usados – suele basarse en sistemas de lixiviación con cloruros o sistemas ácidos. Los ultrasonidos mejoran la cinética de disolución al intensificar las reacciones superficiales y favorecer la desintegración de matrices complejas de cerámica/metal.
• Chatarra electrónica
  Las placas de circuito impreso y los componentes electrónicos contienen metales preciosos de gran valor, pero presentan importantes barreras a la difusión debido a los polímeros, los óxidos y las estructuras de múltiples materiales. El tratamiento ultrasónico mejora la uniformidad de la lixiviación y puede reducir el tiempo necesario para llevarla a cabo.
• Tierras raras a partir de cenizas de carbón
  Las cenizas de carbón pueden contener metales valiosos y tierras raras, a menudo ligados a fases minerales o a una matriz vítrea de aluminosilicatos. El tratamiento ultrasónico mejora el contacto entre las partículas de ceniza y la solución lixiviante, lo que puede aumentar la eficiencia de extracción y acortar el tiempo de lixiviación.
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Principales ventajas del proceso

Desde la perspectiva de la ingeniería de procesos, la lixiviación ultrasónica ofrece varias ventajas cuantificables:

• tiempos de lixiviación más cortos gracias a una cinética acelerada
• mayores rendimientos de extracción gracias a un mejor acceso a la superficie
• menor consumo de reactivos en muchos sistemas (se necesita menos exceso de agente lixiviante)
• mayor reproducibilidad gracias a una mejor dispersión y mezcla
• temperatura de operación potencialmente más baja, ya que los ultrasonidos compensan una cinética térmica más lenta

Consideraciones del proceso y escalado

El éxito de la lixiviación ultrasónica depende en gran medida del diseño del proceso. Entre los parámetros críticos se incluyen:

• densidad de potencia ultrasónica y amplitud
• concentración de la pulpa y distribución de tamaños de partícula
• geometría del reactor y condiciones de flujo
• control de la temperatura
• elección de la química de lixiviación (ácida, alcalina, con cloruros, etc.)

La implementación a escala industrial requiere reactores ultrasónicos de sonda de alta potencia, ya que los sonicadores de baño normalmente no transfieren suficiente energía a las pulpas densas de lixiviación. Las celdas de flujo ultrasónicas en línea pueden integrarse en circuitos de lixiviación continuos, lo que permite escalar la operación. Los sonicadores Hielscher de alto rendimiento están diseñados para procesar grandes volúmenes en condiciones exigentes – aumentando los rendimientos de los metales lixiviados y reduciendo al mismo tiempo el tiempo de procesamiento y el impacto ambiental.

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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.
• I. De La Calle, N. Cabaleiro, M. Costas, F. Pena, S. Gil, I. Lavilla, C. Bendicho (2011):
  Ultrasound-assisted extraction of gold and silver from environmental samples using different extractants followed by electrothermal-atomic absorption spectrometry. Microchemical Journal, Volume 97, Issue 2, 2011. 93-100.