Lixiviation par ultrasons des éléments de terres rares issus des cendres
La lixiviation par ultrasons permet d’augmenter les rendements d’extraction et de réduire les temps de traitement lors de la récupération d’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 précieux plus accessibles. Des études menées sur les cendres volantes de charbon démontrent ce potentiel : des chercheurs ont fait état d’un taux d’extraction de l’yttrium de 97 %, tandis qu’une autre étude portant sur le gallium et le vanadium a permis de réduire la durée de la lixiviation acide de 180 à 20 minutes.
Les cendres, une ressource secondaire pour les éléments de terres rares
Les cendres constituent une ressource secondaire prometteuse pour les éléments de terres rares (ETR). Les résidus issus de la combustion du charbon peuvent contenir de l'yttrium et d'autres terres rares utilisées dans l'électronique, les technologies énergétiques et les matériaux de pointe. La récupération de ces éléments à partir des flux et des dépôts de cendres existants pourrait permettre de diversifier l'approvisionnement en matières premières et de transformer un déchet en une matière première utile.
Le potentiel d'extraction dépend à la fois de la concentration des éléments et de leur accessibilité. Des cendres peuvent contenir des éléments précieux, mais n'en libérer qu'une fraction limitée lors de la lixiviation si la matrice minérale environnante limite l'accès des réactifs. Par conséquent, la composition des cendres, le prétraitement et la chimie de la lixiviation doivent être pris en compte conjointement. La récupération de plusieurs éléments précieux à partir d'une même matière première peut également améliorer les perspectives d'un procédé.
La lixiviation par ultrasons fragment les particules de cendres, rendant ainsi les terres rares accessibles aux réactifs de lixiviation. En améliorant le transfert de masse entre les particules et le réactif, la sonication augmente le taux de récupération tout en réduisant la durée du traitement !
Installation industrielle de soniqueurs Hielscher : ensemble de soniqueurs de 48 kW destiné à la lixiviation en continu d'éléments de terres rares à partir de 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 s'effondrent dans le liquide, générant des forces de cisaillement locales, des microjets et un mélange intense. Ces effets permettent de disperser les agglomérats de particules, de nettoyer les surfaces exposées et d'améliorer le transport des agents de lixiviation vers les sites réactifs. Les espèces dissoutes sont évacuées plus rapidement, ce qui contribue à maintenir la dissolution.
En matière de traitement des cendres, ces effets présentent plusieurs avantages pratiques :
- Lixiviation plus rapide : Un transfert de masse amélioré peut réduire le temps nécessaire à l'extraction des métaux accessibles.
- De meilleurs rendements d'extraction : Un meilleur contact entre les surfaces peut contribuer à libérer les matières qui ne sont pas suffisamment lixiviées lors d'un malaxage classique.
- Association avec un prétraitement : Les ultrasons peuvent intensifier la phase de lixiviation une fois que l'activation a rendu les phases résistantes plus accessibles.
- Développement flexible des processus : Le traitement par ultrasons peut être adapté en fonction de la concentration en acide, de la charge en matières solides, de la température et de la durée de traitement.
Exemples de recherche : rendements élevés et temps de lixiviation réduits
Les études suivantes illustrent ces avantages dans des conditions expérimentales spécifiques. L'yttrium est un élément des terres rares ; le gallium et le vanadium sont d'autres métaux précieux. Leur extraction apporte des preuves complémentaires en faveur du traitement par ultrasons des cendres.
Yttrium et vanadium : taux d'extraction pouvant atteindre respectivement 97 % et 100 %
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 afin d'optimiser le rapport solide/liquide ainsi que les proportions d'acide sulfurique et de peroxyde d'hydrogène. Dans les conditions optimisées, le taux d'extraction rapporté a atteint 100 % pour le vanadium et 97 % pour l'yttrium.
Un modèle modifié à noyau rétrécissant a montré que la diffusion de masse contrôlait la vitesse de réaction. Ce résultat souligne l'importance des processus de transport dans le système étudié et justifie de cibler le transfert de masse lors de l'optimisation du procédé. Les résultats démontrent qu'il est possible d'obtenir un taux d'extraction élevé de l'yttrium grâce au traitement combiné, bien que les rendements indiqués tiennent compte de l'utilisation intégrale des réactifs et du système à ultrasons.
Images FESEM de cendres de charbon brutes : (a) avant la lixiviation des cendres de charbon, (b) après la lixiviation par ultrasons.
Étude et images : ©Masoum et al., 2021
Gallium et vanadium : réduction de 88,89 % du temps de lixiviation
Zhang et al. (2026) ont étudié la lixiviation acide par ultrasons après une torréfaction d'activation au carbonate de sodium. Le prétraitement optimisé consistait en une calcination 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 d'obtenir un taux d'extraction élevé du gallium et du vanadium en moins de 20 minutes.
| Paramètres | Lixiviation par ultrasons après torréfaction d'activation | Lixiviation classique |
|---|---|---|
| Durée de lixiviation | Vingt minutes | 180 minutes |
| Rendement de lixiviation du gallium | 98,14 % | 63,81 % |
| Rendement de lixiviation du vanadium | 92,32 % | 83,56 % |
La réduction de 180 à 20 minutes correspond à un raccourcissement de 88,89 % de la phase de lixiviation. L'analyse cinétique a mis en évidence une augmentation des constantes de vitesse ainsi qu'une amélioration des processus de transfert de masse et de réaction interfaciale. Ces résultats démontrent le potentiel de la combinaison de la torréfaction d'activation et de la lixiviation par ultrasons. Le gain de temps concerne la lixiviation ; la calcination reste une étape de traitement supplémentaire.
La lixiviation acide améliorée par ultrasons est douze fois plus rapide que la lixiviation acide conventionnelle, en raison de l'action mécanique bénéfique des bulles de cavitation qui éclatent près de la surface. Ce phénomène améliore le mélange de la solution acide, ce qui renforce les propriétés de transport.
Image et étude : © Canciani et al., 2024
2 soniqueurs industriels UIP4000hdT destinés à un traitement intensif
Développez votre procédé de lixiviation par ultrasons pour un taux élevé de récupération des terres rares
Dans le cadre de l'extraction industrielle des terres rares, la lixiviation est suivie d'une séparation et d'une purification des éléments dissous. Un rendement élevé de lixiviation constitue donc un résultat intermédiaire important, bien plus que le rendement en termes de produit fini à base de terres rares. L'évaluation du procédé doit prendre en compte la récupération en aval, l'utilisation des réactifs et l'énergie nécessaire tant au prétraitement qu'à la sonication.
Hielscher propose des sonateurs de paillasse de qualité industrielle et des réacteurs à flux ultrasonique à usage intensif destinés au développement et à la mise en œuvre de procédés de lixiviation intensifiés. Le choix de l’équipement et les essais permettent de déterminer l’amplitude, la charge en matières solides, le temps de séjour et le contrôle de la température adaptés à une cendre donnée.
Une extension aisée à de grands volumes : Une fois les paramètres permettant une récupération optimale déterminés, ceux-ci peuvent ensuite être transposés de manière linéaire à n'importe quel volume de lixiviation à l'échelle industrielle.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance pour les applications de mélange, de dispersion, d'émulsification et d'extraction à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie.
Images SEM de particules à différents moments de la lixiviation conventionnelle (a-c) et ultrasonique (d-f).
Image et étude : © Canciani et al., 2024
Questions fréquemment posées
En quoi les ultrasons améliorent-ils la lixiviation des terres rares à partir des cendres ?
Les ultrasons provoquent une cavitation acoustique dans la boue de lixiviation. L'éclatement des bulles génère 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, ce qui contribue à augmenter les rendements d'extraction et à réduire les temps de lixiviation.
Quels éléments de terres rares et métaux précieux peut-on extraire des cendres par lixiviation ?
En fonction de leur origine et de leur composition minérale, les cendres peuvent être soumises à une lixiviation afin d'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 précieux, on trouve le gallium (Ga) et le vanadium (V) dans certaines cendres de charbon, ainsi que le cuivre (Cu) et le zinc (Zn) dans les cendres issues de l'incinération des déchets municipaux.
Pourquoi utiliser un ultrasonateur à sonde haute performance pour la lixiviation des cendres ?
Un sonicateur à sonde injecte de l'énergie ultrasonique directement dans la suspension par l'intermédiaire d'une sonotrode (sonde ou tige ultrasonique). Cela permet un traitement intensif des mélanges solide-liquide et offre des conditions de traitement réglables. Les équipements de sonication industrielle Hielscher permettent une intégration dans les circuits de lixiviation où un apport d'énergie contrôlé et un fonctionnement fiable sont essentiels. La configuration doit être adaptée à la composition de la suspension, à la charge en solides et au débit requis.
Voici quelques exemples d'applications de lixiviation proposées par Hielscher :
Les soniqueurs Hielscher peuvent-ils fonctionner en continu ?
Oui. Les soniqueurs industriels Hielscher, tels que les modèles allant de l’UIP500hdT (500 W) à l’UIP16000hdT (16 000 W), sont conçus pour fonctionner en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Ils peuvent être configurés pour un traitement par lots, en recirculation ou en continu via une cellule de débit ultrasonique. Pour la lixiviation des cendres, une installation est intégrée au pompage de la boue, au contrôle de la température et au procédé chimique de lixiviation sélectionné.
La lixiviation par ultrasons peut-elle être transposée à l'échelle industrielle ?
Oui, les soniqueurs Hielscher permettent une extrapolation linéaire. Hielscher propose des équipements destinés aux essais en laboratoire, à la production pilote et à la production industrielle, notamment des processeurs de 16 kW pouvant être regroupés en grappes. La transposition à plus grande 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 la torréfaction d'activation ?
Les ultrasons intensifient le processus de lixiviation, tandis que les réactifs chimiques fournissent les réactions chimiques nécessaires à la dissolution des éléments cibles. Certaines cendres peuvent également nécessiter un prétraitement afin de rendre accessibles les phases minérales résistantes.
Quels paramètres de processus peuvent être surveillés ?
Tous les sonicateurs Hielscher d'une puissance égale ou supérieure à 200 watts permettent la surveillance et l'enregistrement automatique de l'amplitude, de la puissance, de la durée du traitement et de la température ; la mesure de la pression est possible grâce à un capteur disponible en option. Ces données permettent de comparer les essais et de reproduire les conditions de fonctionnement de manière fiable. Le rendement d'extraction des éléments des terres rares doit être déterminé séparément par analyse chimique de la charge, du lixiviat et des solides résiduels.
Les appareils à ultrasons peuvent-ils être utilisés avec des boues de cendres acides et abrasives ?
Hielscher Ultrasonics propose des solutions pour le traitement par ultrasons de boues de cendres acides et abrasives. Le choix des sonotrodes, des cellules d'écoulement, des joints d'étanchéité et des autres composants en contact avec le fluide doit tenir compte de la composition acide, de la concentration, de la température et du caractère abrasif des particules.
Une meilleure efficacité de lixiviation implique-t-elle un meilleur taux de récupération final des terres rares ?
Oui, une meilleure efficacité de lixiviation signifie qu’une plus grande quantité de l’élément cible est transférée dans la phase liquide. La production d’un produit à base de terres rares utilisable nécessite également des étapes de séparation et de purification en aval. Le taux de récupération global dépend des performances de l’ensemble du procédé.
Comment choisir un sonicateur Hielscher adapté à mon procédé ?
Commencez par prélever des échantillons représentatifs de cendres, puis définissez les éléments cibles, la concentration de la suspension, les conditions chimiques de lixiviation, le volume du lot ou le débit, ainsi que le rendement d'extraction souhaité. Chez Hielscher, nous pouvons vous aider à choisir l'équipement nécessaire pour les essais de faisabilité et la mise à l'échelle linéaire qui s'ensuivra. Notre centre technique et notre laboratoire de procédés proposent également des essais pour faciliter le choix de l'équipement.
Littérature / 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 très performants à partir de laboratoires à taille industrielle.