Lisciviazione ad ultrasuoni di 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 di lisciviazione, gli ultrasuoni ad alta potenza accelerano la dissoluzione e contribuiscono a rendere più accessibili gli elementi preziosi. Gli studi sulle ceneri volanti di carbone dimostrano tale potenziale: i ricercatori hanno riportato un’estrazione di ittrio pari al 97%, mentre uno studio separato su gallio e vanadio ha ridotto il tempo di lisciviazione acida da 180 a 20 minuti.
La cenere 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 di scarto in una materia prima utile.
Il potenziale di estrazione dipende sia dalla concentrazione degli elementi sia dalla loro accessibilità. Una cenere può contenere elementi preziosi, ma rilasciarne solo una frazione limitata durante la lisciviazione se la matrice minerale circostante ne limita l’accesso ai reagenti. Di conseguenza, è necessario considerare congiuntamente la composizione della cenere, il pretrattamento e la chimica della lisciviazione. Il recupero di diversi elementi preziosi dalla stessa materia prima può inoltre migliorare le prospettive di un processo.
La lisciviazione a ultrasuoni frammenta le particelle di cenere, rendendo le terre rare disponibili ai reagenti di lisciviazione. Migliorando il trasferimento di massa tra le particelle e il reagente, la sonicazione aumenta il recupero riducendo al contempo i tempi di lavorazione!
Installazione industriale dei sonicatori Hielscher: cluster di sonicatori da 48 kW per la lisciviazione in linea di elementi delle terre rare dalle ceneri di carbone
In che modo gli ultrasuoni migliorano la lisciviazione delle ceneri
Gli ultrasuoni ad alta potenza intensificano l'estrazione solido-liquido attraverso la cavitazione acustica. Nel liquido si formano e collassano bolle microscopiche, 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 di lisciviazione verso i siti reattivi. Le specie disciolte vengono trasportate via più rapidamente, contribuendo a sostenere la dissoluzione.
Per la lavorazione della cenere, questi effetti offrono diversi vantaggi pratici:
- Lisciviazione più rapida: Un miglioramento del trasferimento di massa può ridurre il tempo necessario per estrarre i metalli accessibili.
- Maggiore resa di estrazione: Un migliore contatto superficiale può contribuire a liberare il materiale che, con la miscelazione convenzionale, rimane insufficientemente lisciviato.
- 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 dei processi: Il trattamento con ultrasuoni può essere adattato in base alle variazioni della concentrazione di acido, del carico di solidi, della temperatura e del tempo di trattamento.
Esempi di ricerca: rese elevate e tempi di lisciviazione più brevi
Gli studi riportati di seguito illustrano tali vantaggi in specifiche condizioni sperimentali. L’ittrio è un elemento delle terre rare; il gallio e il vanadio sono altri metalli preziosi. La loro estrazione fornisce ulteriori prove a sostegno del trattamento a ultrasuoni delle ceneri.
Itrio e vanadio: percentuale di 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 restringente ha indicato che la velocità di reazione era controllata dalla diffusione di massa. Questo risultato evidenzia l’importanza dei processi di trasporto nel sistema studiato e avvalora l’opportunità di concentrarsi sul trasferimento di massa durante l’ottimizzazione del processo. I risultati dimostrano che con il trattamento combinato è possibile ottenere un’elevata estrazione di ittrio, sebbene le rese riportate riflettano l’utilizzo completo del reagente e del sistema a ultrasuoni.
Immagini FESEM di ceneri di carbone grezze: (a) a sinistra, prima della lisciviazione delle ceneri di carbone; (b) dopo la lisciviazione ultrasonica.
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 ultrasonica a seguito di una torrefazione di attivazione con carbonato di sodio. Il pretrattamento ottimizzato consisteva in una tostatura a 850 °C per 60 minuti, utilizzando un rapporto in massa tra ceneri volanti e Na₂CO₃ pari a 2:1. La successiva lisciviazione acida ad ultrasuoni ha consentito di ottenere un elevato grado di estrazione di gallio e vanadio in soli 20 minuti.
| Parametro | Lisciviazione ad ultrasuoni dopo la tostatura di attivazione | Lisciviazione convenzionale |
|---|---|---|
| Tempo di lisciviazione | Venti minuti | 180 minuti |
| 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 riduzione dell’88,89% della durata della fase di lisciviazione. L’analisi cinetica ha evidenziato un aumento delle costanti di velocità e un potenziamento sia dei processi di trasferimento di massa che di quelli di reazione interfacciale. Questi risultati dimostrano il potenziale della combinazione tra la torrefazione di attivazione e la lisciviazione ultrasonica. Il risparmio di tempo riguarda la lisciviazione; la torrefazione rimane una fase di lavorazione aggiuntiva.
La lisciviazione acida potenziata con ultrasuoni opera a una velocità dodici volte superiore rispetto alla lisciviazione acida convenzionale, grazie alla benefica azione meccanica delle bolle di cavitazione che scoppiano in prossimità della superficie. Questo fenomeno migliora la miscelazione della soluzione acida, migliorando le proprietà di trasporto.
Immagine e studio: © Canciani et al., 2024
2 sonicatori industriali UIP4000hdT per lavorazioni ad alta intensità
Sviluppate il vostro processo di lisciviazione a ultrasuoni per un elevato recupero delle terre rare
Nell'estrazione pratica delle terre rare, alla lisciviazione seguono la separazione e la purificazione degli elementi disciolti. Un'elevata efficienza di lisciviazione rappresenta quindi un risultato intermedio importante, più che 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 che per la sonicazione.
Hielscher offre sonicatori da banco di livello industriale e reattori a flusso ultrasonico per impieghi gravosi, destinati allo sviluppo e all’implementazione di processi di lisciviazione intensificati. La scelta delle apparecchiature e le prove di funzionamento consentono di stabilire l’ampiezza, il carico di solidi, il tempo di permanenza e il controllo della temperatura adeguati per una determinata cenere.
Facile scalabilità verso grandi volumi: Una volta stabiliti i parametri per un recupero ottimale, questi possono essere poi estesi in modo lineare a qualsiasi volume di lisciviazione commerciale.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.
Immagini SEM delle particelle a diversi tempi di lisciviazione convenzionale (a-c) e ultrasonica (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. Il collasso delle bolle produce un'intensa miscelazione locale, forze di taglio e microgetti che migliorano il contatto tra le particelle di cenere e la soluzione di lisciviazione. 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 preziosi possono essere estratti dalle ceneri?
A seconda della loro origine e composizione minerale, le ceneri possono essere sottoposte a lisciviazione per estrarre elementi delle terre rare, tra cui il lantanio (La), il cerio (Ce), il neodimio (Nd), il disprosio (Dy), l’ittrio (Y) e lo scandio (Sc). Le ceneri volanti da carbone rappresentano una potenziale fonte di questi elementi.
Tra gli altri metalli preziosi figurano il gallio (Ga) e il vanadio (V) presenti nelle ceneri di carbone idonee, nonché il rame (Cu) e lo zinco (Zn) presenti nelle ceneri provenienti dall'incenerimento dei rifiuti urbani.
Perché utilizzare un sonicatore a sonda per impieghi gravosi per la lisciviazione delle ceneri?
Un sonicatore a sonda immette energia ultrasonica direttamente nella sospensione tramite un sonotrodo (sonda/asta ultrasonica). Ciò consente un trattamento intensivo delle miscele solido-liquide e offre condizioni di lavorazione regolabili. Le apparecchiature industriali di sonicazione Hielscher supportano l’integrazione nei circuiti di lisciviazione, dove l’apporto controllato di energia e un funzionamento affidabile sono essenziali. La configurazione deve essere adeguata alla composizione della sospensione, al carico di solidi e alla produttività richiesta.
Ecco alcune delle applicazioni di lisciviazione di Hielscher:
I sonificatori Hielscher possono funzionare in modo continuo?
Sì. I sonicatori industriali Hielscher, come il modello UIP500hdT (500 W) fino al modello UIP16000hdT (16.000 W), sono progettati per un funzionamento continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Possono essere configurati per il trattamento in batch, il ricircolo o la lavorazione in continuo tramite una cella di flusso a ultrasuoni. Per la lisciviazione delle ceneri, è prevista un’installazione integrata con il pompaggio dei liquami, il controllo della temperatura e il processo chimico di lisciviazione selezionato.
È possibile estendere la lisciviazione a ultrasuoni alla produzione industriale?
Sì, i sonicatori Hielscher consentono uno scale-up lineare. Hielscher offre apparecchiature per prove di laboratorio, lavorazioni pilota e produzione industriale, compresi processori da 16 kW che possono essere combinati in cluster. Il scale-up inizia con una serie di prove volte a stabilire l’ampiezza, l’apporto energetico, la temperatura e il tempo di permanenza adeguati. Questi risultati costituiscono la base per la scelta della capacità del reattore e per la validazione delle prestazioni di estrazione alla portata richiesta.
L'ultrasuono sostituisce gli acidi o la tostatura di attivazione?
Gli ultrasuoni intensificano il processo di lisciviazione, mentre i reagenti chimici forniscono le reazioni chimiche necessarie per dissolvere gli elementi di interesse. Alcune ceneri potrebbero inoltre richiedere un pretrattamento per rendere accessibili le fasi minerali resistenti.
Quali parametri di processo è possibile monitorare?
Tutti i sonicatori Hielscher a partire da 200 watt supportano il monitoraggio e la registrazione automatica di ampiezza, potenza, tempo di trattamento e temperatura, con la possibilità di misurare la pressione tramite un sensore opzionale. Questi dati consentono di confrontare le prove e di riprodurre in modo affidabile le condizioni operative. L’efficienza di estrazione degli elementi delle terre rare deve essere determinata separatamente tramite analisi chimica del materiale di alimentazione, del liquido di lisciviazione e dei solidi residui.
È possibile utilizzare apparecchiature a ultrasuoni con sospensioni di ceneri acide e abrasive?
Hielscher Ultrasonics offre soluzioni per la sonicazione di sospensioni di ceneri acide e abrasive. I sonotrodi, le celle di flusso, le guarnizioni e gli altri componenti a contatto con il fluido devono essere scelti in base alla composizione acida, 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 comporta un maggiore trasferimento dell’elemento bersaglio nella fase liquida. Per ottenere un prodotto a base di terre rare utilizzabile sono necessarie anche operazioni di separazione e purificazione a valle. Il recupero complessivo dipende dalle prestazioni dell’intero processo.
Come faccio a scegliere un sonicatore Hielscher adatto al mio processo?
Iniziate con campioni rappresentativi di cenere e definite gli elementi di interesse, la concentrazione della sospensione, la composizione 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 scale-up lineare. Il nostro centro tecnico e il nostro laboratorio di processo offrono inoltre prove a supporto della scelta delle apparecchiature.
Letteratura / 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 da laboratorio a dimensioni industriali.