Lisciviazione a ultrasuoni degli elementi delle terre rare dalle ceneri
La lisciviazione a ultrasuoni può aumentare le rese di estrazione e ridurre i tempi di lavorazione nel recupero degli elementi delle terre rare dalle ceneri. Migliorando il contatto tra le particelle di cenere e gli agenti liscivianti, gli ultrasuoni di potenza accelerano la dissoluzione e contribuiscono a rendere più accessibili gli elementi di valore. Gli studi sulle ceneri volanti di carbone ne dimostrano il potenziale: i ricercatori hanno riportato un’estrazione dell’ittrio del 97%, mentre uno studio separato su gallio e vanadio ha ridotto il tempo di lisciviazione acida da 180 a 20 minuti.
Le ceneri come risorsa secondaria per gli elementi delle terre rare
Le ceneri rappresentano una promettente risorsa secondaria per gli elementi delle terre rare (REE). I residui della combustione del carbone possono contenere ittrio e altre terre rare utilizzate nell’elettronica, nelle tecnologie energetiche e nei materiali avanzati. Il recupero di questi elementi dai flussi e dai depositi di ceneri esistenti potrebbe diversificare l’approvvigionamento di materie prime e trasformare un materiale destinato allo smaltimento in un’utile materia prima per il processo.
Il potenziale di estrazione dipende sia dalla concentrazione degli elementi sia dalla loro accessibilità. Una cenere può contenere elementi di valore, ma rilasciarne soltanto una frazione limitata durante la lisciviazione se la matrice minerale circostante limita l’accesso dei reagenti. Di conseguenza, la composizione delle ceneri, il pretrattamento e la chimica della lisciviazione devono essere considerati congiuntamente. Anche il recupero di più elementi di valore dalla stessa materia prima può migliorare le prospettive di un processo.
La lisciviazione a ultrasuoni frammenta le particelle di cenere, rendendo le terre rare accessibili ai reagenti liscivianti. Migliorando il trasferimento di massa tra le particelle e il reagente, la sonicazione aumenta il recupero e riduce i tempi di lavorazione!
Installazione industriale di sonicatori Hielscher: gruppo di sonicatori da 48kW per la lisciviazione in linea degli elementi delle terre rare dalle ceneri di carbone
Come gli ultrasuoni migliorano la lisciviazione delle ceneri
Gli ultrasuoni di potenza intensificano l’estrazione solido–liquido attraverso la cavitazione acustica. Bolle microscopiche si formano e collassano nel liquido, generando forze di taglio locali, microgetti e un’intensa miscelazione. Questi effetti possono disperdere gli agglomerati di particelle, pulire le superfici esposte e migliorare il trasporto degli agenti liscivianti verso i siti reattivi. Le specie disciolte vengono allontanate più rapidamente, contribuendo a mantenere la dissoluzione.
Nel trattamento delle ceneri, questi effetti offrono diversi vantaggi pratici:
- Lisciviazione più rapida: Un migliore trasferimento di massa può ridurre il tempo necessario per estrarre i metalli accessibili.
- Rese di estrazione più elevate: Un migliore contatto con le superfici può contribuire a liberare materiale che rimane insufficientemente lisciviato con la miscelazione convenzionale.
- Combinazione con il pretrattamento: Gli ultrasuoni possono intensificare la fase di lisciviazione dopo che l’attivazione ha reso più accessibili le fasi resistenti.
- Sviluppo flessibile del processo: La sonicazione può essere sviluppata adattandola a diverse concentrazioni di acido, carichi di solidi, temperature e tempi di trattamento.
Esempi di ricerca: rese elevate e tempi di lisciviazione più brevi
I seguenti studi illustrano questi vantaggi in specifiche condizioni sperimentali. L’ittrio è un elemento delle terre rare; gallio e vanadio sono altri metalli di valore. La loro estrazione fornisce ulteriori evidenze a sostegno del trattamento delle ceneri con ultrasuoni.
Ittrio e vanadio: estrazione fino al 97% e al 100%
Masoum et al. (2021) hanno studiato l’estrazione di vanadio e ittrio dalle ceneri volanti di carbone utilizzando acido solforico, perossido di idrogeno e ultrasuoni. I ricercatori hanno applicato la metodologia della superficie di risposta per ottimizzare il rapporto solido/liquido e le proporzioni di acido solforico e perossido di idrogeno. Nelle condizioni ottimizzate, l’estrazione riportata ha raggiunto il 100% per il vanadio e il 97% per l’ittrio.
Un modello modificato a nucleo non reagito ha indicato che la diffusione di materia controllava la velocità di reazione. Questo risultato evidenzia l’importanza dei processi di trasporto nel sistema studiato e sostiene la scelta di intervenire sul trasferimento di massa durante l’ottimizzazione del processo. I risultati dimostrano che il trattamento combinato consente di ottenere un’elevata estrazione dell’ittrio, sebbene le rese riportate riflettano il sistema completo costituito dai reagenti e dagli ultrasuoni.
Immagini FESEM di cenere di carbone grezza: (a) a sinistra, prima della lisciviazione della cenere di carbone; (b) dopo la lisciviazione a ultrasuoni.
Studio e immagini: ©Masoum et al., 2021
Gallio e vanadio: tempo di lisciviazione ridotto dell’88,89%
Zhang et al. (2026) hanno studiato la lisciviazione acida a ultrasuoni successiva a un arrostimento di attivazione con carbonato di sodio. Il pretrattamento ottimizzato consisteva in un arrostimento a 850°C per 60 minuti, con un rapporto in massa tra ceneri volanti e Na₂CO₃ di 2:1. La successiva lisciviazione acida a ultrasuoni ha consentito un’elevata estrazione di gallio e vanadio entro 20 minuti.
| Parametro | Lisciviazione a ultrasuoni dopo l’arrostimento di attivazione | Lisciviazione convenzionale |
|---|---|---|
| Tempo di lisciviazione | 20 min | 180 min |
| Efficienza di lisciviazione del gallio | 98,14% | 63,81% |
| Efficienza di lisciviazione del vanadio | 92,32% | 83,56% |
La riduzione da 180 a 20 minuti corrisponde a una fase di lisciviazione più breve dell’88,89%. L’analisi cinetica ha indicato un aumento delle costanti di velocità e un miglioramento sia del trasferimento di massa sia dei processi di reazione interfacciale. Questi risultati dimostrano il potenziale della combinazione dell’arrostimento di attivazione con la lisciviazione a ultrasuoni. Il risparmio di tempo riguarda la lisciviazione; l’arrostimento rimane una fase di lavorazione aggiuntiva.
La lisciviazione acida potenziata dagli ultrasuoni procede a una velocità dodici volte superiore rispetto alla lisciviazione acida convenzionale, grazie alla benefica azione meccanica delle bolle di cavitazione che collassano vicino alla superficie. Questo fenomeno migliora la miscelazione della soluzione acida, potenziandone così le proprietà di trasporto.
Immagine e studio: © Canciani et al., 2024
2 sonicatori industriali UIP4000hdT per lavorazioni gravose
Sviluppate il vostro processo di lisciviazione a ultrasuoni per un elevato recupero delle terre rare
Nell’estrazione delle terre rare in applicazioni reali, la lisciviazione è seguita dalla separazione e dalla purificazione degli elementi disciolti. Un’elevata efficienza di lisciviazione rappresenta quindi un importante risultato intermedio, anziché la resa di un prodotto finito a base di terre rare. La valutazione del processo dovrebbe includere il recupero a valle, l’uso dei reagenti e l’energia necessaria sia per il pretrattamento sia per la sonicazione.
Hielscher offre sonicatori da banco di livello industriale e reattori a flusso a ultrasuoni per impieghi gravosi, destinati allo sviluppo e all’implementazione di processi di lisciviazione intensificati. La selezione delle apparecchiature e le prove possono stabilire l’ampiezza, il carico di solidi, il tempo di permanenza e il controllo della temperatura adatti a una determinata cenere.
Semplice aumento di scala a grandi volumi: Una volta stabiliti, i parametri per un recupero ottimale possono essere trasferiti mediante un aumento di scala lineare a qualsiasi volume di lisciviazione su scala commerciale.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.
Immagini SEM delle particelle a diversi tempi di lisciviazione convenzionale (a–c) e a ultrasuoni (d–f).
Immagine e studio: © Canciani et al., 2024
Domande frequenti
In che modo gli ultrasuoni migliorano la lisciviazione delle terre rare dalle ceneri?
Gli ultrasuoni generano cavitazione acustica nella sospensione di lisciviazione. Le bolle che collassano producono un’intensa miscelazione locale, forze di taglio e microgetti che migliorano il contatto tra le particelle di cenere e la soluzione lisciviante. Questi effetti espongono le superfici reattive e accelerano il trasferimento di massa, contribuendo ad aumentare le rese di estrazione e a ridurre i tempi di lisciviazione.
Quali elementi delle terre rare e metalli di valore possono essere estratti dalle ceneri mediante lisciviazione?
A seconda della loro origine e composizione minerale, le ceneri possono essere sottoposte a lisciviazione per estrarre elementi delle terre rare, tra cui lantanio (La), cerio (Ce), neodimio (Nd), disprosio (Dy), ittrio (Y) e scandio (Sc). Le ceneri volanti di carbone sono una potenziale fonte di questi elementi.
Altri metalli di valore comprendono gallio (Ga) e vanadio (V) in ceneri di carbone adatte, nonché rame (Cu) e zinco (Zn) nelle ceneri da incenerimento dei rifiuti urbani.
Perché utilizzare un sonicatore a sonda per impieghi gravosi nella lisciviazione delle ceneri?
Un sonicatore a sonda introduce l’energia ultrasonica direttamente nella sospensione attraverso un sonotrodo (sonda/barra a ultrasuoni). Ciò consente un trattamento intensivo delle miscele solido–liquido e offre condizioni di lavorazione regolabili. Le apparecchiature industriali di sonicazione Hielscher consentono l’integrazione nei circuiti di lisciviazione in cui un apporto energetico controllato e un funzionamento affidabile sono essenziali. La configurazione dovrebbe essere adeguata alla composizione della sospensione, al carico di solidi e alla capacità di trattamento richiesta.
Ecco alcune applicazioni di lisciviazione Hielscher:
I sonicatori Hielscher possono funzionare in continuo?
Sì. I sonicatori industriali Hielscher, dal UIP500hdT (500W) fino al UIP16000hdT (16.000W), sono progettati per il funzionamento continuo 24/7. Possono essere configurati per il trattamento in lotti, il ricircolo o la lavorazione continua attraverso una cella di flusso a ultrasuoni. Per la lisciviazione delle ceneri, l’impianto viene integrato con il pompaggio della sospensione, il controllo della temperatura e la chimica di lisciviazione selezionata.
È possibile aumentare la scala della lisciviazione a ultrasuoni fino alla produzione industriale?
Sì, i sonicatori Hielscher consentono un aumento di scala lineare. Hielscher offre apparecchiature per prove di laboratorio, lavorazioni su scala pilota e produzione industriale, compresi processori da 16 kW che possono essere combinati in gruppi. L’aumento di scala inizia con prove volte a stabilire l’ampiezza, l’apporto energetico, la temperatura e il tempo di permanenza adatti. Questi risultati forniscono la base per selezionare la capacità del reattore e convalidare le prestazioni di estrazione alla capacità di trattamento richiesta.
Gli ultrasuoni sostituiscono gli acidi o l’arrostimento di attivazione?
Gli ultrasuoni intensificano il processo di lisciviazione, mentre i reagenti chimici forniscono la chimica necessaria per dissolvere gli elementi di interesse. Alcune ceneri possono richiedere anche un pretrattamento per rendere accessibili le fasi minerali resistenti.
Quali parametri di processo possono essere monitorati?
Tutti i sonicatori Hielscher da 200 watt in su consentono il monitoraggio e la registrazione automatica di ampiezza, potenza, tempo di trattamento e temperatura, con la possibilità di misurare la pressione mediante un sensore opzionale. Questi dati aiutano a confrontare le prove e a riprodurre in modo affidabile le condizioni operative. L’efficienza di estrazione degli elementi delle terre rare deve essere determinata separatamente mediante analisi chimica del materiale in ingresso, del lisciviato e dei solidi residui.
Le apparecchiature a ultrasuoni possono essere utilizzate con sospensioni di ceneri acide e abrasive?
Hielscher Ultrasonics offre soluzioni per la sonicazione di sospensioni di ceneri acide e abrasive. Sonotrodi, celle di flusso, guarnizioni e altri componenti a contatto con il fluido devono essere selezionati in base alla composizione dell’acido, alla concentrazione, alla temperatura e all’abrasività delle particelle.
Una maggiore efficienza di lisciviazione comporta un maggiore recupero finale delle terre rare?
Sì, una maggiore efficienza di lisciviazione significa che una quantità maggiore dell’elemento di interesse viene trasferita nella fase liquida. La produzione di un prodotto utilizzabile a base di terre rare richiede anche la separazione e la purificazione a valle. Il recupero complessivo dipende dalle prestazioni dell’intero processo.
Come selezionare un sonicatore Hielscher per il proprio processo?
Iniziate con campioni rappresentativi di cenere e definite gli elementi di interesse, la concentrazione della sospensione, la chimica della lisciviazione, il volume del lotto o la portata e la resa di estrazione desiderata. Noi di Hielscher possiamo aiutarvi a selezionare le apparecchiature per le prove di fattibilità e il successivo aumento di scala lineare. Anche il nostro centro tecnico e laboratorio di processo offre prove a supporto della selezione delle apparecchiature.
Bibliografia / Riferimenti
- 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 produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni, dalle dimensioni da laboratorio fino alle dimensioni industriali.