Sono-elettroestrazione per l’estrazione industriale dei metalli

Con il continuo aumento della domanda globale di rame, nichel, cobalto, zinco, argento, oro, metalli rari e materiali rilevanti per le batterie, i produttori di metalli sono sotto pressione per recuperare più valore da minerali, concentrati, sterili, flussi di materiali riciclati e materie prime a basso tenore. Nell’idrometallurgia, una delle vie più consolidate per il recupero dei metalli è l’elettroestrazione, nota anche come electrowinning: gli ioni metallici disciolti vengono recuperati da una soluzione di lisciviazione applicando una corrente elettrica, che riduce gli ioni e deposita il metallo su un catodo.

Sono-elettroestrazione per un migliore recupero idrometallurgico dei metalli

La sono-elettroestrazione sviluppa questo principio combinando l’elettroestrazione con ultrasuoni ad alta intensità. Ne risulta un processo sonoelettrochimico in cui cavitazione acustica, microcorrenti e riduzione elettrochimica agiscono insieme. Anziché basarsi soltanto sul potenziale elettrico e sulla circolazione convenzionale dell’elettrolita, la sono-elettroestrazione introduce un’intensa miscelazione locale direttamente in corrispondenza o in prossimità dell’interfaccia dell’elettrodo, dove avviene effettivamente la deposizione del metallo. È ampiamente documentato che gli ultrasuoni migliorano il trasporto di materia, perturbano lo strato di diffusione, puliscono le superfici degli elettrodi, rimuovono le bolle di gas e favoriscono velocità di reazione elettrochimica più elevate.

Sonde sonoelettrochimiche: 2 trasduttori a ultrasuoni agitano rispettivamente l’anodo e il catodo. I sonoelettrodi o le sonde sonoelettrochimiche agiscono contemporaneamente come elettrodi e sonde a ultrasuoni per migliorare l’elettroestrazione.

Dal minerale al catodo: come funziona la sono-elettrodeposizione

L’elettroestrazione industriale inizia solitamente con la lisciviazione. In questa fase a monte, il metallo di interesse viene disciolto in una soluzione acquosa a partire da un minerale, un concentrato, un residuo di processo, una scoria, una massa nera, un rifiuto elettronico o un’altra materia prima metallurgica. A seconda del metallo e della composizione chimica del minerale, il lisciviante può essere acido, alcalino, a base di cloruri, solfati o cianuri, ammoniacale, a base di acidi organici oppure formulato chimicamente in altro modo per dissolvere la fase metallica di valore.
Dopo la lisciviazione, la soluzione arricchita viene generalmente chiarificata, purificata e regolata in termini di pH, conducibilità, temperatura, concentrazione del metallo e profilo delle impurità. Nella cella di elettroestrazione, questo elettrolita contenente metallo scorre tra un anodo e un catodo. Quando viene applicata una corrente controllata, gli ioni metallici disciolti migrano e vengono ridotti sulla superficie del catodo, dove formano un deposito metallico solido. Nella sono-elettroestrazione, gli ultrasuoni vengono introdotti in questo ambiente elettrochimico affinché l’energia acustica intensifichi il trasporto degli ioni e il rinnovo dello strato limite dell’elettrodo.

In termini semplici, la sequenza del processo è la seguente:

• Lisciviazione: I metalli di valore vengono disciolti in soluzione a partire dal minerale o da una materia prima secondaria.
• Condizionamento della soluzione: La soluzione di lisciviazione viene purificata o regolata per migliorare la selettività e il comportamento di deposizione.
• Deposizione sonoelettrochimica: Gli ultrasuoni e la corrente elettrica agiscono contemporaneamente nella cella di elettroestrazione.
• Recupero al catodo: I depositi metallici vengono raccolti sotto forma di lastre, polvere, spugna, lamine o altre forme di deposito, a seconda della progettazione del processo.
• Ricircolo dell’elettrolita: L’elettrolita impoverito può essere rigenerato, riciclato o reimmesso nel circuito idrometallurgico.

Perché la sonicazione migliora l’elettroestrazione

Il principale collo di bottiglia in molti sistemi di elettroestrazione non è soltanto la reazione elettrica in sé. È anche l’apporto di nuovi ioni metallici alla superficie del catodo, la rimozione dei prodotti di reazione e delle bolle di gas e il mantenimento di un’interfaccia dell’elettrodo attiva, pulita e omogenea. Gli ultrasuoni affrontano direttamente queste limitazioni.
Quando gli ultrasuoni ad alta potenza entrano nell’elettrolita, generano cavitazione acustica: si formano bolle microscopiche che oscillano e collassano. Questi collassi generano microgetti, onde d’urto e intense sollecitazioni locali di taglio. Nel trattamento in fase liquida, ciò può produrre miscelazione localizzata, micromiscelazione, dispersione, deagglomerazione e un trasporto interfacciale accelerato.
La tecnologia a ultrasuoni e sonoelettrochimica Hielscher si basa sulla cavitazione acustica controllata per il trattamento dei liquidi, in cui le onde ultrasoniche generano campi di cavitazione che producono sollecitazioni di taglio, onde d’urto, microgetti e un trasferimento riproducibile di energia a fluidi, sospensioni e fanghi.
Nell’elettroestrazione, questi effetti sono particolarmente preziosi perché la reazione elettrochimica avviene su una superficie. Gli ultrasuoni possono ridurre i gradienti di concentrazione vicino all’elettrodo, comprimere o perturbare lo strato di diffusione e apportare continuamente nuovi ioni metallici al catodo. Studi recenti sul trasporto elettrochimico di materia potenziato dagli ultrasuoni descrivono un aumento della corrente attraverso la compressione dello strato di diffusione indotta dalle correnti acustiche, mentre la ricerca sull’elettrodeposizione assistita da ultrasuoni riporta un miglioramento del trasporto ionico grazie alla cavitazione, ai microflussi e agli effetti della pressione acustica.

La sinergia: sonicazione ed elettrochimica

Il vantaggio della sono-elettroestrazione non consiste semplicemente nel fatto che gli ultrasuoni «agitano» la soluzione. Le Hielscher Sono-Electro-Probes combinano sonde a ultrasuoni ed elettrodi che introducono contemporaneamente ultrasuoni ad alta intensità e corrente elettrica in un sistema elettrochimico. L’elemento chiave è l’accoppiamento sinergico di due campi energetici: l’energia elettrica determina la reazione di riduzione degli ioni metallici, mentre l’energia acustica migliora le condizioni fisiche e interfacciali in cui tale reazione avviene.
Questa sinergia può generare diversi vantaggi di rilevanza industriale:

• Maggiore trasferimento di materia: La sonicazione migliora l’apporto di ioni metallici disciolti alla superficie del catodo, riducendo l’impoverimento locale.
• Superfici degli elettrodi più pulite: La cavitazione e le correnti acustiche contribuiscono a rimuovere film passivanti, particelle debolmente aderenti, bolle di gas e prodotti di reazione.
• Potenziale miglioramento del rendimento di corrente: Un’interfaccia dell’elettrodo più attiva può ridurre le perdite associate alla polarizzazione di concentrazione e al blocco della superficie, sebbene il rendimento finale dipenda dalla composizione chimica dell’elettrolita e dai parametri operativi.
• Deposizione più uniforme: L’elettrodeposizione assistita da ultrasuoni è stata associata a depositi più lisci, densi e uniformi e a strutture a grana più fine.
• Cinetica di elettrodeposizione più rapida: Un migliore trasferimento di materia e l’attivazione della superficie possono consentire velocità di deposizione più elevate in condizioni ottimizzate.
• Minori limitazioni diffusive: Perturbando lo strato limite in corrispondenza dell’elettrodo, gli ultrasuoni possono favorire una deposizione più costante anche quando le concentrazioni dei metalli sono relativamente basse.
• Migliore gestione degli elettroliti complessi: L’agitazione ultrasonica può agevolare il trattamento di sospensioni, particelle fini e soluzioni di lisciviazione difficili da trattare, migliorando la dispersione e riducendo i ristagni localizzati.

Ciò rende la sono-elettroestrazione particolarmente interessante per i circuiti idrometallurgici in cui l’elettroestrazione convenzionale è limitata da una cinetica lenta, una morfologia scadente dei depositi, la polarizzazione di concentrazione, l’incrostazione degli elettrodi, la copertura da parte di bolle di gas o una bassa concentrazione di ioni metallici.

Velocità di dissoluzione convenzionale e sonoelettrochimica degli elettrodi di Pt a confronto.
Studio e grafici: ©Vasile et al., 2021

Vantaggi industriali per l’estrazione dei metalli

Per l’estrazione industriale dei metalli, il valore della sono-elettroestrazione risiede nell’intensificazione del processo. È potenzialmente possibile recuperare più metallo in un tempo più breve, con una migliore morfologia dei depositi e un funzionamento più stabile della cella, purché la potenza di sonicazione, la geometria degli elettrodi, la composizione dell’elettrolita e la densità di corrente siano adeguatamente calibrate tra loro.

In termini pratici, la sono-elettroestrazione favorisce:

• Recupero da soluzioni di lisciviazione a basso tenore: Un migliore trasferimento di materia può contribuire a mantenere la deposizione quando le concentrazioni dei metalli disciolti non sono ideali.
• Migliore qualità del catodo: Depositi più lisci e uniformi possono semplificare le successive operazioni di distacco, fusione, raffinazione o gestione delle polveri.
• Minore tendenza all’incrostazione: Il rinnovo continuo della superficie può ridurre l’impatto della passivazione e dei film superficiali indesiderati.
• Progettazione del processo più compatta: Una cinetica più rapida può consentire celle più piccole o una maggiore capacità di trattamento, a seconda della chimica del processo.
• Maggiore recupero da risorse secondarie: La massa nera delle batterie, i rifiuti elettronici, i catalizzatori, le scorie e i residui industriali generano spesso soluzioni di lisciviazione complesse, per le quali un trasferimento di materia intensificato è prezioso.
• Migliore controllabilità del processo: I moderni sistemi a ultrasuoni possono essere integrati in configurazioni a lotti o continue in linea e regolati tramite ampiezza, tempo di permanenza, portata, temperatura e apporto energetico.

I sistemi sonoelettrochimici Hielscher sono unici: il sonoelettrodo agisce contemporaneamente come sonda a ultrasuoni ed elettrodo. Le configurazioni sonoelettrochimiche sono progettate per un trattamento dei liquidi scalabile, dalle prove di laboratorio al funzionamento su scala pilota e alla produzione industriale in linea. Gli ultrasuoni ad alta potenza, la capacità di funzionamento continuo 24/7, la robustezza di livello industriale e la ridotta manutenzione rendono i sistemi sonoelettrochimici Hielscher ideali per la sono-elettroestrazione industriale.
L’aumento lineare di scala attraverso parametri controllati quali ampiezza, apporto energetico, portata, temperatura e tempo di permanenza facilita significativamente l’incremento delle capacità produttive.

La sono-elettroestrazione nella catena lisciviazione–elettroestrazione

In un impianto idrometallurgico convenzionale, l’elettroestrazione viene spesso eseguita dopo la lisciviazione, la separazione solido-liquido, la purificazione e, talvolta, l’estrazione con solvente o lo scambio ionico. La sono-elettroestrazione può essere integrata in questa fase di recupero a valle per intensificare la conversione degli ioni metallici disciolti in metallo solido.

Un tipico percorso di processo può essere il seguente:

1. Il minerale frantumato, il concentrato, gli sterili o la materia prima secondaria vengono sottoposti a lisciviazione per dissolvere il metallo di interesse.
2. La ganga insolubile, i solidi residui e le fasi indesiderate vengono rimossi o ridotti.
3. La soluzione di lisciviazione arricchita viene regolata chimicamente per un’elettroestrazione selettiva.
4. L’elettrolita viene alimentato a una cella di elettroestrazione dotata di sonoelettrodi e di un sistema di circolazione.
5. La sonicazione migliora il trasporto ionico e il rinnovo della superficie dell’elettrodo, mentre la corrente applicata deposita il metallo sul catodo.
6. Il prodotto metallico viene raccolto e l’elettrolita viene riciclato o inviato a ulteriori trattamenti.

Questa combinazione è particolarmente interessante quando l’industria dell’estrazione dei metalli deve trattare risorse più difficili. Molte materie prime del futuro presentano tenori metallici inferiori, più impurità, particelle più fini, composizioni chimiche miste o una composizione variabile. La sono-elettroestrazione offre una via per rendere più robusta la fase di recupero elettrochimico migliorando l’interazione tra l’elettrolita e la superficie dell’elettrodo.

Recupero sonoelettrochimico dei metalli: rese più elevate a costi di processo inferiori

L’elettroestrazione è già un pilastro dell’idrometallurgia perché consente di recuperare metalli da soluzioni acquose sotto forma di prodotti solidi di elevato valore. La sono-elettroestrazione migliora l’elettroestrazione convenzionale migliorando l’efficienza di recupero, il rendimento di corrente e il consumo energetico.
Gli effetti sinergici degli ultrasuoni di potenza e dell’elettroestrazione affrontano le limitazioni fisiche dell’interfaccia elettrochimica e favoriscono un recupero dei metalli più intensivo, controllato e potenzialmente più efficiente. Per le attività minerarie, di riciclaggio e metallurgiche, la tecnologia aiuta a colmare il divario tra materie prime sempre più complesse e la necessità di processi di estrazione più puliti, più selettivi e con una maggiore capacità di trattamento.

La sono-elettroestrazione come strumento di intensificazione del processo

Il futuro dell’estrazione dei metalli dipenderà dalla capacità di recuperare più metallo da risorse più difficili da trattare. In molte regioni i minerali ad alto tenore stanno diminuendo, mentre cresce la domanda di rame, nichel, cobalto, metalli legati al litio, metalli preziosi ed elementi rari. Allo stesso tempo, l’industria sta ampliando la propria attenzione dai minerali primari alle risorse secondarie, quali batterie esauste, rottami elettronici, catalizzatori, residui industriali e acque di processo.
La sono-elettroestrazione offre una promettente strategia di intensificazione del processo per questo scenario. Combinando la selettività del recupero elettrochimico dei metalli con l’azione della cavitazione ultrasonica all’interfaccia, può migliorare il trasferimento di materia, l’attività degli elettrodi, la morfologia dei depositi e la robustezza del processo. Per gli operatori industriali, ciò significa un percorso più solido dagli ioni metallici ottenuti mediante lisciviazione al prodotto metallico recuperabile.
In sintesi, la sono-elettroestrazione trasforma la superficie del catodo in una zona di reazione più dinamica. La sonicazione mantiene attiva l’interfaccia elettrochimica; l’elettrochimica converte gli ioni disciolti in metallo; insieme creano una potente piattaforma per la moderna estrazione idrometallurgica.

Sono-Electro-Probes e SonoElectroReactors ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics è il vostro partner con una lunga esperienza nei sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni. Produciamo e distribuiamo sonde e reattori a ultrasuoni all’avanguardia, utilizzati in tutto il mondo per applicazioni gravose in ambienti impegnativi. Per la sonoelettrochimica, Hielscher ha sviluppato speciali sonde a ultrasuoni che possono agire come catodo e/o anodo, nonché celle di reazione a ultrasuoni adatte alle reazioni elettrochimiche. Gli elettrodi e le celle a ultrasuoni sono disponibili sia per sistemi galvanici / voltaici sia per sistemi elettrolitici.
 

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Letteratura / Riferimenti bibliografici

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Making precious metals cheap: A sonoelectrochemical – Hydrodynamic cavitation method to recycle platinum group metals from spent automotive catalysts. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): The Sono-Hydro-Gen process (Ultrasound induced hydrogen production): Challenges and opportunities. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Issue 29, 2019, 14500-14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): A Cyclic Voltammetry Study on Electrodeposition of Cu-Zn Alloy Films: Effect of Ultrasonication Time. Acta Physica Polonica Vol 132, 2017. 1087-1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): An Introduction to Sonoelectrochemistry In: Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution, First Edition. Edited by Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, Ltd.
• Haas, I.: Gedanken A. (2008): Synthesis of metallic magnesium nanoparticles by sonoelectrochemistry. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795-1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri R. (2014): Sonoelectrochemical and Electrochemical Synthesis of Polypyrrole Films on St-12 Steel and Their Corrosion and Morphological Studies. Advances in Polymer Technology Vol. 33, Issue 3; 2014.
• Sono-Electrochemical Synthesis Improves Efficiency in Chemical Manufacturing