Lixiviation des métaux précieux par ultrasons

Les ultrasons de puissance constituent une technique efficace pour extraire des métaux tels que les métaux précieux et les terres rares. Ce procédé d’extraction solide-liquide assistée par ultrasons est appelé sono-lixiviation, lixiviation ou lavage. Des appareils à ultrasons industriels robustes peuvent être facilement installés pour extraire les terres rares des minerais par lixiviation, traiter les suspensions minières afin d’obtenir une récupération plus complète ou séparer les métaux de grande valeur (p. ex. Cu, Zn, Ni) des métaux de moindre valeur.

La lixiviation par ultrasons favorise la réaction grâce au transfert de matière et à la dissolution, ce qui permet d’obtenir des rendements plus élevés en un temps d’extraction plus court.
Les principaux avantages de la lixiviation par ultrasons sont les suivants :

• rendement plus élevé
• lixiviation plus complète
• consommation réduite de réactifs
• conditions plus douces
• essais de faisabilité simples
• mise à l’échelle linéaire
• installation facile de systèmes à ultrasons à pleine échelle industrielle
• appareils à ultrasons très robustes pour les flux de grand volume

Lixiviation des métaux précieux par ultrasons : extraction accélérée grâce à la chimie de la cavitation

La récupération de métaux précieux tels que l’or, l’argent, le platine, le palladium et le rhodium est un pilier de la métallurgie et du recyclage modernes – notamment pour le traitement des minerais, des concentrés et des ressources secondaires telles que les déchets électroniques et les convertisseurs catalytiques. Bien que la lixiviation conventionnelle soit bien établie, elle est souvent limitée par un transfert de matière lent, la passivation des surfaces, une libération incomplète des phases valorisables et une consommation élevée de réactifs.
La lixiviation par ultrasons permet de surmonter bon nombre de ces limitations en introduisant des ultrasons de haute intensité dans la suspension de lixiviation, ce qui intensifie considérablement la cinétique de réaction grâce à un phénomène appelé cavitation acoustique.

Le mécanisme central : la cavitation acoustique

Lorsque des ultrasons de forte puissance sont couplés à un liquide, ils créent des bulles de cavitation microscopiques qui se forment et s’effondrent rapidement. Cet effondrement génère des conditions locales extrêmes, notamment :

• un micromélange intense et des forces de cisaillement
• des microjets à grande vitesse dirigés vers les surfaces solides
• des points chauds localisés (températures et pressions très élevées pendant des microsecondes)

Bien que ces effets se produisent à l’échelle microscopique, ils influencent fortement le procédé de lixiviation macroscopique en renouvelant continuellement la surface réactive et en accélérant le transport des réactifs vers les particules solides et depuis celles-ci.

La lixiviation acide intensifiée par ultrasons s’effectue 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 près de la surface. Ce phénomène améliore le mélange de la solution acide et, par conséquent, les propriétés de transport.
Image et étude : © Canciani et al., 2024

Pourquoi les ultrasons améliorent la lixiviation des métaux précieux

Dans la plupart des systèmes de lixiviation, l’étape limitant la vitesse n’est pas la réaction chimique elle-même, mais plutôt le transport des réactifs à travers les couches limites, les pores ou les films de passivation en surface. La cavitation ultrasonore améliore l’efficacité de la lixiviation grâce à plusieurs effets synergiques :

1. Transfert de matière amélioré
   Les ultrasons réduisent l’épaisseur de la couche de diffusion stagnante entourant les particules solides. Cela permet aux agents de lixiviation (p. ex. cyanure, thiosulfate, chlorure, iodure, thiourée ou systèmes acides) d’atteindre plus rapidement la surface contenant les métaux, tandis que les complexes métalliques dissous sont évacués plus efficacement.
2. Activation de la surface des particules
   Les microjets et les ondes de choc produits par la cavitation érodent, nettoient et rendent continuellement plus rugueuses les surfaces des particules. Cela expose de nouvelles phases minérales et augmente la surface réactive effective – un effet particulièrement important pour les minerais réfractaires ou les particules revêtues.
3. Rupture des couches de passivation
   De nombreux minéraux contenant des métaux précieux forment des couches superficielles pendant la lixiviation (p. ex. oxydes, sulfates, soufre élémentaire ou films de silice). Les ultrasons peuvent rompre physiquement ces barrières et rétablir l’accès de l’agent de lixiviation à la phase métallique sous-jacente.
4. Pénétration améliorée dans les solides poreux
   Pour les concentrés, les catalyseurs et les particules de déchets électroniques, les ultrasons contribuent à faire pénétrer le liquide dans les pores et les microfissures, améliorant ainsi l’accès des réactifs aux métaux précieux inclus dans ces matériaux.

Distributions granulométriques après lixiviation par ultrasons et lixiviation conventionnelle
Image et étude : © Canciani et al., 2024

Applications : des minerais aux mines urbaines

La lixiviation par ultrasons fait l’objet d’un nombre croissant d’études portant sur les ressources primaires comme sur les ressources secondaires :

• Or et argent
  Il a été démontré que les ultrasons de puissance accélèrent la lixiviation de l’or dans des solutions de cyanure et avec d’autres agents de lixiviation en améliorant le transport et en supprimant les effets de passivation. Ils présentent également un intérêt pour la récupération de l’argent à partir de minerais et de résidus industriels.
• Métaux du groupe du platine (PGMs)
  La récupération du platine, du palladium et du rhodium – notamment à partir de convertisseurs catalytiques usagés – repose souvent sur des systèmes de lixiviation à base de chlorures ou sur des systèmes acides. Les ultrasons accélèrent la cinétique de dissolution en intensifiant les réactions de surface et en améliorant la désagrégation des matrices complexes céramiques/métalliques.
• Déchets électroniques
  Les circuits imprimés et les composants électroniques contiennent des métaux précieux de grande valeur, mais présentent d’importantes barrières à la diffusion en raison des polymères, des oxydes et des structures constituées de plusieurs matériaux. Le traitement par ultrasons améliore l’uniformité de la lixiviation et peut réduire le temps de lixiviation nécessaire.
• Terres rares issues des cendres de charbon
  Les cendres de charbon peuvent contenir des métaux de grande valeur et des terres rares, souvent liés au sein de phases minérales ou d’une matrice vitreuse d’aluminosilicates. Le traitement par ultrasons améliore le contact entre les particules de cendres et la solution de lixiviation, ce qui peut accroître l’efficacité de l’extraction et raccourcir le temps de lixiviation.
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Principaux avantages du procédé

Du point de vue du génie des procédés, la lixiviation par ultrasons offre plusieurs avantages mesurables :

• des temps de lixiviation plus courts grâce à une cinétique accélérée
• des rendements d’extraction plus élevés grâce à un meilleur accès aux surfaces
• une consommation de réactifs plus faible dans de nombreux systèmes (moins d’agent de lixiviation en excès nécessaire)
• une reproductibilité améliorée grâce à une meilleure dispersion et à un meilleur mélange
• une température de fonctionnement potentiellement plus basse, car les ultrasons compensent une cinétique thermique plus lente

Paramètres du procédé et mise à l’échelle

La réussite de la lixiviation par ultrasons dépend fortement de la conception du procédé. Les paramètres essentiels comprennent :

• la densité de puissance et l’amplitude des ultrasons
• la concentration de la suspension et la distribution granulométrique
• la géométrie du réacteur et les conditions d’écoulement
• la régulation de la température
• le choix de la chimie de lixiviation (acide, alcaline, à base de chlorures, etc.)

La mise en œuvre à l’échelle industrielle nécessite des réacteurs à ultrasons de forte puissance à sonde, car les bains à ultrasons ne transmettent généralement pas suffisamment d’énergie aux suspensions de lixiviation denses. Les cellules à circulation ultrasonores en ligne peuvent être intégrées à des circuits de lixiviation continus, permettant une exploitation évolutive en termes d’échelle. Les sonicateurs haute performance Hielscher sont conçus pour traiter de grands volumes dans des conditions exigeantes – augmentant les rendements de récupération des métaux par lixiviation tout en réduisant le temps de traitement et l’impact environnemental.

Conception, fabrication et conseil – Qualité fabriquée en Allemagne

Les appareils à ultrasons Hielscher sont réputés pour leurs normes de qualité et de conception les plus élevées. Leur robustesse et leur facilité d’utilisation permettent une intégration aisée de nos appareils à ultrasons dans les installations industrielles. Les appareils à ultrasons Hielscher supportent sans difficulté les conditions difficiles et les environnements exigeants.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO qui accorde une attention particulière aux appareils à ultrasons haute performance associant une technologie de pointe et une grande facilité d’utilisation. Bien entendu, les appareils à ultrasons Hielscher sont conformes aux exigences CE et répondent aux exigences UL, CSA et RoHs.

Bibliographie / Références

• 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.