Lixiviation par ultrasons des éléments de terres rares contenus dans les cendres
La lixiviation par ultrasons peut augmenter les rendements d’extraction et raccourcir les durées de traitement lors de la récupération des éléments de terres rares à partir de cendres. En améliorant le contact entre les particules de cendres et les agents de lixiviation, les ultrasons de puissance accélèrent la dissolution et contribuent à rendre les éléments de valeur plus accessibles. Des études sur les cendres volantes de charbon en démontrent le potentiel : des chercheurs ont rapporté une extraction de 97% de l’yttrium, tandis qu’une autre étude portant sur le gallium et le vanadium a permis de réduire la durée de lixiviation acide de 180 à 20 minutes.
Les cendres, une ressource secondaire d’éléments de terres rares
Les cendres représentent une ressource secondaire prometteuse d’éléments de terres rares (ETR). Les résidus de combustion du charbon peuvent contenir de l’yttrium et d’autres terres rares utilisées dans l’électronique, les technologies énergétiques et les matériaux avancés. La récupération de ces éléments à partir des flux et des dépôts de cendres existants pourrait diversifier l’approvisionnement en matières premières et transformer un matériau destiné à l’élimination en une matière première utile.
Le potentiel d’extraction dépend à la fois de la concentration des éléments et de leur accessibilité. Une cendre peut contenir des éléments de valeur, mais n’en libérer qu’une fraction limitée lors de la lixiviation si la matrice minérale environnante restreint l’accès des réactifs. Par conséquent, la composition des cendres, le prétraitement et la chimie de lixiviation doivent être considérés ensemble. La récupération de plusieurs éléments de valeur à partir de la même matière première peut également améliorer les perspectives d’un procédé.
La lixiviation par ultrasons fragmente les particules de cendres, rendant les terres rares accessibles aux réactifs de lixiviation. En améliorant le transfert de masse entre les particules et le réactif, la sonication augmente la récupération tout en raccourcissant la durée de traitement !
Installation industrielle de sonicateurs Hielscher : cluster de sonicateurs de 48kW pour la lixiviation en ligne des éléments de terres rares contenus dans les cendres de charbon
Comment les ultrasons améliorent la lixiviation des cendres
Les ultrasons de puissance intensifient l’extraction solide–liquide par cavitation acoustique. Des bulles microscopiques se forment et implosent dans le liquide, générant des forces de cisaillement locales, des microjets et un mélange intense. Ces effets peuvent disperser les agglomérats de particules, nettoyer les surfaces exposées et améliorer le transport des agents de lixiviation vers les sites réactifs. Les espèces dissoutes sont évacuées plus rapidement, ce qui contribue à entretenir la dissolution.
Pour le traitement des cendres, ces effets offrent plusieurs avantages pratiques :
- Lixiviation plus rapide : Un transfert de masse amélioré peut raccourcir le temps nécessaire à l’extraction des métaux accessibles.
- Rendements d’extraction plus élevés : Un meilleur contact de surface peut contribuer à libérer la matière qui reste insuffisamment lixiviée avec un mélange conventionnel.
- Combinaison avec un prétraitement : Les ultrasons peuvent intensifier l’étape de lixiviation une fois que l’activation a rendu les phases résistantes plus accessibles.
- Développement de procédé flexible : La sonication peut être développée et adaptée à différentes concentrations d’acide, charges en solides, températures et durées de traitement.
Exemples de recherche : rendements élevés et durées de lixiviation plus courtes
Les études suivantes illustrent ces avantages dans des conditions expérimentales spécifiques. L’yttrium est un élément de terre rare ; le gallium et le vanadium sont d’autres métaux de valeur. Leur extraction apporte des preuves complémentaires en faveur du traitement des cendres par ultrasons.
Yttrium et vanadium : jusqu’à 97% et 100% d’extraction
Masoum et al. (2021) ont étudié l’extraction du vanadium et de l’yttrium à partir de cendres volantes de charbon à l’aide d’acide sulfurique, de peroxyde d’hydrogène et d’ultrasons. Les chercheurs ont appliqué la méthodologie des surfaces de réponse pour optimiser le rapport solide/liquide ainsi que les proportions d’acide sulfurique et de peroxyde d’hydrogène. Dans les conditions optimisées, l’extraction rapportée a atteint 100% pour le vanadium et 97% pour l’yttrium.
Un modèle à cœur rétrécissant modifié a indiqué que la diffusion de matière contrôlait la vitesse de réaction. Ce résultat souligne l’importance des processus de transport dans le système étudié et plaide en faveur d’un ciblage du transfert de masse lors de l’optimisation du procédé. Les résultats démontrent qu’une extraction élevée de l’yttrium est réalisable avec le traitement combiné, bien que les rendements rapportés reflètent l’ensemble du système réactifs et ultrasons.
Images FESEM de cendres de charbon brutes (a) à gauche avant lixiviation des cendres de charbon, (b) après lixiviation par ultrasons.
Étude et images : ©Masoum et al., 2021
Gallium et vanadium : durée de lixiviation réduite de 88,89%
Zhang et al. (2026) ont étudié la lixiviation acide par ultrasons faisant suite à un grillage d’activation au carbonate de sodium. Le prétraitement optimisé consistait en un grillage à 850°C pendant 60 minutes, avec un rapport massique cendres volantes/Na₂CO₃ de 2:1. La lixiviation acide par ultrasons qui a suivi a permis une extraction élevée du gallium et du vanadium en 20 minutes.
| Paramètre | Lixiviation par ultrasons après grillage d’activation | Lixiviation conventionnelle |
|---|---|---|
| Durée de lixiviation | 20 min | 180 min |
| Efficacité de lixiviation du gallium | 98,14% | 63,81% |
| Efficacité de lixiviation du vanadium | 92,32% | 83,56% |
La réduction de 180 à 20 minutes correspond à une étape de lixiviation plus courte de 88,89%. L’analyse cinétique a indiqué des constantes de vitesse accrues ainsi qu’une amélioration à la fois du transfert de masse et des processus de réaction interfaciale. Ces résultats démontrent le potentiel de la combinaison du grillage d’activation et de la lixiviation par ultrasons. Le gain de temps concerne la lixiviation ; le grillage reste une étape de traitement supplémentaire.
La lixiviation acide assistée par ultrasons se déroule à une vitesse douze fois supérieure à celle de la lixiviation acide conventionnelle, grâce à l’action mécanique bénéfique des bulles de cavitation qui éclatent à proximité de la surface. Ce phénomène améliore le mélange de la solution acide, renforçant ainsi les propriétés de transport.
Image et étude : © Canciani et al., 2024
2 sonicateurs industriels UIP4000hdT pour le traitement intensif
Développez votre procédé de lixiviation par ultrasons pour une récupération élevée des terres rares
Dans l’extraction pratique des terres rares, la lixiviation est suivie de la séparation et de la purification des éléments dissous. Une efficacité de lixiviation élevée représente donc un résultat intermédiaire important, et non le rendement d’un produit fini de terres rares. L’évaluation du procédé doit inclure la récupération en aval, la consommation de réactifs et l’énergie nécessaire tant au prétraitement qu’à la sonication.
Hielscher propose des sonicateurs de paillasse de qualité industrielle et des réacteurs à ultrasons à circulation pour usage intensif, destinés au développement et à la mise en œuvre de procédés de lixiviation intensifiés. La sélection de l’équipement et les essais permettent de déterminer l’amplitude, la charge en solides, le temps de séjour et la régulation de température adaptés à une cendre donnée.
Mise à l’échelle simple vers de grands volumes : Une fois établis, les paramètres de récupération optimale peuvent ensuite être transposés linéairement à n’importe quel volume de lixiviation commercial.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance pour les applications de mélange, de dispersion, d’émulsification et d’extraction à l’échelle du laboratoire, pilote et industrielle.
Images MEB de particules à différents instants de la lixiviation conventionnelle (a–c) et de la lixiviation par ultrasons (d–f).
Image et étude : © Canciani et al., 2024
Questions fréquentes
Comment les ultrasons améliorent-ils la lixiviation des terres rares contenues dans les cendres ?
Les ultrasons génèrent une cavitation acoustique dans la suspension de lixiviation. L’implosion des bulles produit un mélange local intense, des forces de cisaillement et des microjets qui améliorent le contact entre les particules de cendres et la solution de lixiviation. Ces effets exposent des surfaces réactives et accélèrent le transfert de masse, contribuant à augmenter les rendements d’extraction et à raccourcir les durées de lixiviation.
Quels éléments de terres rares et métaux de valeur peuvent être lixiviés à partir des cendres ?
Selon leur origine et leur composition minérale, les cendres peuvent être lixiviées pour en extraire des éléments de terres rares, notamment le lanthane (La), le cérium (Ce), le néodyme (Nd), le dysprosium (Dy), l’yttrium (Y) et le scandium (Sc). Les cendres volantes de charbon constituent une source potentielle de ces éléments.
Parmi les autres métaux de valeur figurent le gallium (Ga) et le vanadium (V) dans certaines cendres de charbon appropriées, ainsi que le cuivre (Cu) et le zinc (Zn) dans les cendres d’incinération des déchets municipaux.
Pourquoi utiliser un sonicateur à sonde pour usage intensif pour la lixiviation des cendres ?
Un sonicateur à sonde introduit l’énergie ultrasonore directement dans la suspension par l’intermédiaire d’une sonotrode (sonde/tige ultrasonore). Cela permet un traitement intensif des mélanges solide–liquide et offre des conditions de traitement réglables. Les équipements de sonication industriels Hielscher se prêtent à l’intégration dans des circuits de lixiviation où un apport d’énergie contrôlé et un fonctionnement fiable sont essentiels. La configuration doit correspondre à la composition de la suspension, à la charge en solides et au débit requis.
Voici quelques applications de lixiviation de Hielscher :
Les sonicateurs Hielscher peuvent-ils fonctionner en continu ?
Oui. Les sonicateurs industriels Hielscher, tels que l’UIP500hdT (500W) jusqu’à l’UIP16000hdT (16 000W), sont conçus pour un fonctionnement continu 24/7. Ils peuvent être configurés pour un traitement par lots, en recirculation ou en continu à travers une cellule à circulation à ultrasons. Pour la lixiviation des cendres, une installation est intégrée au pompage de la suspension, à la régulation de température et à la chimie de lixiviation choisie.
La lixiviation par ultrasons peut-elle être transposée à la production industrielle ?
Oui, les sonicateurs Hielscher permettent une mise à l’échelle linéaire. Hielscher propose des équipements pour les essais en laboratoire, le traitement pilote et la production industrielle, y compris des processeurs de 16 kW pouvant être combinés en clusters. La mise à l’échelle commence par des essais visant à déterminer l’amplitude, l’apport d’énergie, la température et le temps de séjour appropriés. Ces résultats servent de base pour choisir la capacité du réacteur et valider les performances d’extraction au débit requis.
Les ultrasons remplacent-ils les acides ou le grillage d’activation ?
Les ultrasons intensifient le procédé de lixiviation, tandis que les réactifs chimiques apportent la chimie nécessaire à la dissolution des éléments cibles. Certaines cendres peuvent également nécessiter un prétraitement pour rendre accessibles les phases minérales résistantes.
Quels paramètres de procédé peuvent être surveillés ?
Tous les sonicateurs Hielscher à partir de 200 watts permettent la surveillance et l’enregistrement automatique de l’amplitude, de la puissance, de la durée de traitement et de la température, la mesure de la pression étant disponible grâce à un capteur optionnel. Ces données aident à comparer les essais et à reproduire de manière fiable les conditions de fonctionnement. L’efficacité d’extraction des éléments de terres rares doit être déterminée séparément par analyse chimique de l’alimentation, du lixiviat et des solides résiduels.
Les équipements à ultrasons peuvent-ils être utilisés avec des suspensions de cendres acides et abrasives ?
Hielscher Ultrasonics propose des solutions pour soniquer des suspensions de cendres acides et abrasives. Les sonotrodes, cellules à circulation, joints et autres composants en contact avec le fluide doivent être sélectionnés en fonction de la composition de l’acide, de sa concentration, de la température et de l’abrasivité des particules.
Une efficacité de lixiviation plus élevée signifie-t-elle une récupération finale de terres rares plus élevée ?
Oui, une efficacité de lixiviation plus élevée signifie qu’une plus grande partie de l’élément cible est transférée dans la phase liquide. L’obtention d’un produit de terres rares utilisable nécessite également une séparation et une purification en aval. La récupération globale dépend des performances de l’ensemble du procédé.
Comment choisir un sonicateur Hielscher pour mon procédé ?
Commencez par des échantillons de cendres représentatifs et définissez les éléments cibles, la concentration de la suspension, la chimie de lixiviation, le volume de lot ou le débit, ainsi que le rendement d’extraction souhaité. Chez Hielscher, nous pouvons vous aider à sélectionner l’équipement pour les essais de faisabilité et la mise à l’échelle linéaire qui suit. Notre centre technique et notre laboratoire de procédés proposent également des essais pour faciliter le choix de l’équipement.
Bibliographie / Références
- Masoum, H.G., Rastegar, S.O. and Khamforoush, M. (2021): Ultrasound-Assisted Leaching of Vanadium and Yttrium from Coal Ash: Optimization, Kinetic and Thermodynamic Study. Chemical Engineering and Technology 44, 2021. x2249-2256.
- Qian Zhang, Deqing Zhu, Siwei Li, Jian Pan, Zhengqi Guo, Congcong Yang, Jiachen Gong (2026):
Ultrasonic enhanced leaching for the synergistic extraction of Ga and V from fly ash. Journal of Environmental Chemical Engineering, Volume 14, Issue 5, 2026. - 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.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance, de l’échelle du laboratoire à la taille industrielle.