L'électro-extraction par ultrasons pour l'extraction industrielle des métaux

Alors que la demande mondiale en cuivre, nickel, cobalt, zinc, argent, or, métaux rares et matériaux destinés aux batteries ne cesse d’augmenter, les producteurs de métaux sont contraints de tirer davantage de valeur des minerais, des concentrés, des résidus miniers, des flux recyclés et des matières premières à faible teneur. En hydrométallurgie, l'une des méthodes les plus courantes de récupération des métaux est l'électroobtention, également appelée électroextraction : les ions métalliques dissous sont récupérés à partir d'une solution de lixiviation en appliquant un courant électrique, ce qui réduit les ions et dépose le métal sur une cathode.

Électro-extraction par ultrasons pour une meilleure récupération des métaux par voie hydrométallurgique

L'électro-extraction par ultrasons développe ce principe en combinant l'électro-extraction à des ultrasons de haute intensité. Il en résulte un procédé sono-électrochimique dans lequel la cavitation acoustique, les micro-courants et la réduction électrochimique agissent conjointement. Au lieu de reposer uniquement sur le potentiel électrique et la circulation conventionnelle de l’électrolyte, l’électro-extraction ultrasonique introduit un mélange local intense directement au niveau ou à proximité de l’interface de l’électrode, là où le dépôt de métal a effectivement lieu. Il est largement admis que les ultrasons améliorent le transport de masse, perturbent la couche de diffusion, nettoient les surfaces des électrodes, éliminent les bulles de gaz et favorisent des vitesses électrochimiques plus élevées.

Sono-électrodes : deux transducteurs à ultrasons agitent respectivement l'anode et la cathode. Les sono-électrodes, ou sono-électrodes, font office à la fois d'électrodes et de sondes à ultrasons afin d'améliorer l'électro-extraction.

Du minerai à la cathode : comment fonctionne l'électrodéposition par ultrasons ?

L'électro-extraction industrielle commence généralement par une lixiviation. Au cours de cette étape en amont, le métal cible est dissous à partir d'un minerai, d'un concentré, d'un résidu de traitement, d'un scorie, d'une masse noire, de déchets électroniques ou d'autres matières premières métallurgiques, pour former une solution aqueuse. En fonction du métal et de la composition chimique du minerai, l'agent de lixiviation peut être acide, alcalin, à base de chlorure, de sulfate, de cyanure, d'ammoniac, d'acide organique, ou encore spécialement formulé pour dissoudre la phase métallique de valeur.
Après la lixiviation, la solution de lixiviation riche en métaux est généralement clarifiée, purifiée et ajustée en termes de pH, de conductivité, de température, de concentration en métaux et de profil d’impuretés. Dans la cellule d’électro-extraction, cet électrolyte contenant des métaux circule entre une anode et une cathode. Lorsqu’un courant contrôlé est appliqué, les ions métalliques dissous migrent et sont réduits à la surface de la cathode, où ils forment un dépôt métallique solide. Dans l’électro-extraction par ultrasons, des ultrasons sont introduits dans cet environnement électrochimique afin que l’énergie acoustique intensifie le transport des ions et le renouvellement de la couche limite des électrodes.

En termes simples, la séquence des étapes est la suivante :

• Lixiviation : Les métaux précieux sont extraits du minerai ou des matières premières secondaires et mis en solution.
• Conditionnement de la solution : La liqueur de lixiviation est purifiée ou ajustée afin d'améliorer la sélectivité et le comportement de dépôt.
• Dépôt sono-électrochimique : Les ultrasons et le courant électrique agissent simultanément dans la cellule d'électro-extraction.
• Récupération de la cathode : Les dépôts métalliques sont récupérés sous forme de tôles, de poudre, d'éponge, de feuilles ou sous d'autres formes, selon la conception du procédé.
• Recirculation des électrolytes : L'électrolyte épuisé peut être régénéré, recyclé ou réintroduit dans le circuit hydrométallurgique.

Pourquoi la sonication améliore l'électro-extraction

Dans de nombreux systèmes d'électro-extraction, le principal goulot d'étranglement ne réside pas uniquement dans la réaction électrique elle-même. Il s'agit également de l'apport d'ions métalliques frais à la surface de la cathode, de l'élimination des produits de réaction et des bulles de gaz, ainsi que du maintien d'une interface d'électrode active, propre et homogène. Les ultrasons permettent de remédier directement à ces limites.
Lorsque des ultrasons de forte puissance pénètrent dans l'électrolyte, ils provoquent une cavitation acoustique : des bulles microscopiques se forment, oscillent puis s'effondrent. Ces effondrements génèrent des microjets, des ondes de choc et un cisaillement local intense. Dans le traitement en phase liquide, cela peut entraîner un mélange localisé, un micro-mélange, une dispersion, une désagglomération et un transport interfacial accéléré.
La technologie ultrasonique et sono-électrique de Hielscher repose sur la cavitation acoustique contrôlée pour le traitement des liquides : les ondes ultrasoniques génèrent des champs de cavitation qui produisent des forces de cisaillement, des ondes de choc, des microjets et un transfert d'énergie reproductible dans les fluides, les suspensions et les boues.
Dans l'électro-extraction, ces effets sont particulièrement précieux car la réaction électrochimique se produit à la surface. Les ultrasons peuvent réduire les gradients de concentration à proximité de l'électrode, comprimer ou perturber la couche de diffusion, et acheminer en continu de nouveaux ions métalliques vers la cathode. Des travaux récents sur le transport de masse électrochimique amélioré par ultrasons décrivent une augmentation du courant grâce à la compression de la couche de diffusion induite par l'écoulement acoustique, tandis que des recherches sur l'électrodéposition assistée par ultrasons font état d'un transport ionique amélioré grâce à la cavitation, aux micro-écoulements et aux effets de la pression acoustique.

La synergie : ultrasons et électrochimie

L'avantage de l'électro-extraction par ultrasons ne réside pas seulement dans le fait que les ultrasons “remue” La solution. Les sondes Sono-Electro-Probes de Hielscher associent des sondes à ultrasons et des électrodes qui introduisent simultanément des ultrasons de haute intensité et un courant électrique dans un système électrochimique. La clé réside ici dans le couplage synergique de deux champs d’énergie : l’énergie électrique entraîne la réaction de réduction des ions métalliques, tandis que l’énergie acoustique améliore les conditions physiques et interfaciales dans lesquelles cette réaction se produit.
Cette synergie peut générer plusieurs avantages pertinents sur le plan industriel :

• Transfert de masse accru : La sonication améliore l'apport d'ions métalliques dissous à la surface de la cathode, ce qui réduit l'appauvrissement local.
• Des surfaces d'électrodes plus propres : La cavitation et l'écoulement acoustique contribuent à éliminer les films de passivation, les particules faiblement fixées, les bulles de gaz et les produits de réaction.
• Potentiel d'amélioration du rendement en courant : Une interface d'électrode plus active peut réduire les pertes liées à la polarisation de concentration et au colmatage de surface, bien que le rendement final dépende de la composition chimique de l'électrolyte et des paramètres de fonctionnement.
• Un dépôt plus uniforme : L'électrodéposition assistée par ultrasons est réputée pour permettre d'obtenir des dépôts plus lisses, plus denses et plus uniformes, ainsi que des structures à grains plus fins.
• Une cinétique d'électrodéposition plus rapide : Un transfert de masse amélioré et une activation de surface peuvent permettre d'obtenir des taux de dépôt plus élevés dans des conditions optimisées.
• Limites liées à la diffusion réduite : En perturbant la couche limite au niveau de l'électrode, les ultrasons permettent d'obtenir un dépôt plus homogène, même lorsque les concentrations en métal sont relativement faibles.
• Meilleure gestion des électrolytes complexes : L'agitation par ultrasons peut faciliter le traitement des suspensions, des particules fines et des liqueurs de lixiviation difficiles en améliorant la dispersion et en réduisant la stagnation localisée.

Cela rend l'électro-extraction par ultrasons particulièrement intéressante pour les circuits hydrométallurgiques dans lesquels l'électro-extraction classique est limitée par une cinétique lente, une mauvaise morphologie du dépôt, la polarisation de concentration, l'encrassement des électrodes, la présence de bulles de gaz ou une faible concentration en ions métalliques.

Vitesses de dissolution des électrodes en Pt : méthode conventionnelle vs méthode sonoélectrochimique.
Étude et graphiques : © Vasile et al., 2021

Avantages industriels pour l'extraction des métaux

Dans le domaine de l'extraction industrielle des métaux, l'intérêt de l'électro-extraction par ultrasons réside dans l'intensification du procédé. Il est en effet possible de récupérer davantage de métal en moins de temps, tout en obtenant une meilleure morphologie des dépôts et un fonctionnement plus stable des cellules, à condition que la puissance de sonication, la géométrie des électrodes, la composition de l'électrolyte et la densité de courant soient correctement adaptées les unes aux autres.

Concrètement, l'électro-extraction par ultrasons permet :

• Récupération à partir de lixiviats de faible teneur : Un meilleur transfert de masse peut contribuer à maintenir le dépôt lorsque les concentrations de métal dissous ne sont pas optimales.
• Amélioration de la qualité de la cathode : Des dépôts plus lisses et plus homogènes peuvent faciliter les étapes en aval, telles que le décapage, la fusion, l'affinage ou la manutention des poudres.
• Tendance réduite à l'encrassement : Un renouvellement continu de la surface peut réduire l'impact de la passivation et des films de surface indésirables.
• Conception plus compacte du procédé : Une cinétique plus rapide peut permettre d'utiliser des cellules plus petites ou d'atteindre un débit plus élevé, en fonction de la chimie du procédé.
• Récupération améliorée à partir de ressources secondaires : La masse noire des batteries, les déchets électroniques, les catalyseurs, les scories et les résidus industriels génèrent souvent des solutions de lixiviation complexes pour lesquelles un transfert de masse intensifié s'avère utile.
• Meilleure maîtrise des processus : Les systèmes à ultrasons modernes peuvent être intégrés dans des installations en ligne, en mode discontinu ou en continu, et réglés en fonction de l'amplitude, du temps de séjour, du débit, de la température et de l'apport d'énergie.

Les systèmes sono-électro de Hielscher sont uniques : la sono-électrode fait office à la fois de sonde ultrasonique et d’électrode. Les configurations sono-électro sont conçues pour un traitement des liquides évolutif, allant des essais en laboratoire à l’exploitation pilote, en passant par la production industrielle en ligne. Grâce à leurs ultrasons de haute puissance, leur capacité de fonctionnement continu 24 h/24 et 7 j/7, leur robustesse de niveau industriel et leur faible besoin d'entretien, les systèmes sono-électro de Hielscher sont idéaux pour l'électro-extraction industrielle par ultrasons.
La mise à l'échelle linéaire grâce à des paramètres contrôlés tels que l'amplitude, l'apport d'énergie, le débit, la température et le temps de séjour permet d'augmenter considérablement les capacités de production.

Électro-extraction par ultrasons dans la chaîne de lixiviation-électro-extraction

Dans une usine hydrométallurgique classique, l'électro-extraction est souvent réalisée après la lixiviation, la séparation solide-liquide, la purification et, parfois, l'extraction par solvant ou l'échange d'ions. L'électro-extraction par ultrasons peut être intégrée à cette étape de récupération en aval afin d'intensifier la conversion des ions métalliques dissous en métal solide.

Un schéma de processus type pourrait se présenter comme suit :

1. Le minerai concassé, le concentré, les résidus ou les matières premières secondaires sont soumis à une lixiviation afin de dissoudre le métal cible.
2. La gangue insoluble, les solides résiduels et les phases indésirables sont éliminés ou réduits.
3. La solution de lixiviation riche est ajustée chimiquement en vue d'une extraction électrolytique sélective.
4. L'électrolyte est introduit dans une cellule d'électro-extraction équipée de sono-électrodes et d'un système de circulation.
5. La sonication améliore le transport des ions et le renouvellement de la surface de l'électrode, tandis que le courant appliqué provoque le dépôt du métal sur la cathode.
6. Le produit métallique est récupéré, et l'électrolyte est recyclé ou acheminé vers un traitement ultérieur.

Cette combinaison s'avère particulièrement intéressante lorsque l'industrie de l'extraction des métaux doit traiter des ressources plus difficiles à exploiter. De nombreuses matières premières futures présentent des teneurs en métaux plus faibles, davantage d'impuretés, des particules plus fines, des compositions chimiques mixtes ou une composition variable. L'électro-extraction par ultrasons offre un moyen de renforcer la robustesse de l'étape de récupération électrochimique en améliorant l'interaction entre l'électrolyte et la surface de l'électrode.

Récupération sonélectrochimique des métaux : des rendements plus élevés pour des coûts de traitement réduits

L'électroextraction est déjà un pilier de l'hydrométallurgie, car elle permet de récupérer des métaux à partir de solutions aqueuses sous forme de produits solides à haute valeur ajoutée. L'électroextraction par ultrasons améliore l'électroextraction classique en augmentant le rendement de récupération, l'efficacité du courant et en réduisant la consommation d'énergie.
Les effets synergiques des ultrasons de puissance et de l'électro-extraction permettent de surmonter les limites physiques de l'interface électrochimique et favorisent une récupération des métaux plus intensive, mieux contrôlée et potentiellement plus efficace. Dans les secteurs minier, du recyclage et de la métallurgie, cette technologie contribue à combler le fossé entre des matières premières de plus en plus complexes et la nécessité de disposer de procédés d'extraction plus propres, plus sélectifs et à plus haut débit.

L'électro-extraction par ultrasons comme outil d'intensification des procédés

L'avenir de l'extraction des métaux dépendra de la capacité à récupérer davantage de métaux à partir de gisements plus difficiles à exploiter. Les gisements à haute teneur se raréfient dans de nombreuses régions, tandis que la demande en cuivre, nickel, cobalt, métaux liés au lithium, métaux précieux et éléments rares ne cesse d’augmenter. Parallèlement, l’industrie élargit son champ d’action, passant des minerais primaires aux ressources secondaires telles que les batteries usagées, les déchets électroniques, les catalyseurs, les résidus industriels et les eaux de traitement.
L'électro-extraction par ultrasons constitue une stratégie d'intensification des procédés particulièrement intéressante dans ce contexte. En associant la sélectivité de la récupération électrochimique des métaux à la puissance interfaciale de la cavitation ultrasonique, elle permet d'améliorer le transfert de masse, l'activité des électrodes, la morphologie des dépôts et la robustesse du procédé. Pour les opérateurs industriels, cela se traduit par une voie plus efficace menant des ions métalliques lixiviés au produit métallique récupérable.
En résumé, l'électro-extraction par ultrasons transforme la surface de la cathode en une zone de réaction plus dynamique. La sonication maintient l'interface électrochimique active ; l'électrochimie convertit les ions dissous en métal ; et, ensemble, ces deux processus constituent une plateforme puissante pour l'extraction hydrométallurgique moderne.

Sondes sono-électriques et réacteurs sono-électriques haute performance

Hielscher Ultrasonics est votre partenaire expérimenté de longue date pour les systèmes ultrasoniques de haute performance. Nous fabriquons et distribuons des sondes et des réacteurs à ultrasons de pointe, qui sont utilisés dans le monde entier pour des applications lourdes dans des environnements exigeants. Pour la sonoélectrochimie, Hielscher a développé des sondes ultrasoniques spéciales, qui peuvent servir de cathode et/ou d'anode, ainsi que des réacteurs ultrasoniques adaptés aux réactions électrochimiques. Les électrodes et cellules à ultrasons sont disponibles pour les systèmes galvaniques / voltaïques et électrolytiques.
 

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Littérature / Références

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021) : Rendre les métaux précieux abordables : Une méthode sonoélectrochimique – à cavitation hydrodynamique – pour le recyclage des métaux du groupe du platine issus de catalyseurs automobiles usagés. Ultrasonics Sonochemistry, volume 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019) : Le procédé Sono-Hydro-Gen (production d'hydrogène par ultrasons) : défis et opportunités. International Journal of Hydrogen Energy, volume 44, numéro 29, 2019, p. 14500-14526.
• Yurdal K. ; Karahan İ.H. (2017) : Étude par voltamétrie cyclique de l'électrodéposition de films d'alliage Cu-Zn : influence de la durée de l'exposition aux ultrasonsActa Physica Polonica, vol. 132, 2017, p. 1087-1090.
• Mason, T. ; Sáez Bernal, V. (2012) : Introduction à la sonoélectrochimie Dans : « Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution », première édition. Sous la direction de Bruno G. Pollet. 2012, John Wiley & Sons, Ltd.
• Haas, I. : Réflexions A. (2008) : Synthèse de nanoparticules de magnésium métallique par sonoélectrochimie. Chemical Communications 15(15), 2008. p. 1795-1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H. ; Bagheri, R. (2014) : Synthèse sonoélectrochimique et électrochimique de films de polypyrrole sur de l'acier St-12 et études de leur corrosion et de leur morphologie. Advances in Polymer Technology, vol. 33, n° 3 ; 2014.
• La synthèse sono-électrochimique améliore l'efficacité de la fabrication de produits chimiques