Elettroestrazione sonica per l'estrazione industriale dei metalli

Poiché la domanda globale di rame, nichel, cobalto, zinco, argento, oro, metalli rari e materiali utilizzati nelle batterie continua ad aumentare, i produttori di metalli sono sotto pressione per ricavare maggior valore da minerali, concentrati, sterili, flussi riciclati e materie prime a basso tenore. Nell’idrometallurgia, uno dei processi più consolidati per il recupero dei metalli è l’elettroestrazione: 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.

Elettroestrazione sonica per un miglior recupero idrometallurgico dei metalli

La sono-elettroestrazione sviluppa ulteriormente questo principio combinando l’elettroestrazione con ultrasuoni ad alta intensità. Il risultato è un processo sonoelettrochimico in cui la cavitazione acustica, il microstreaming e la riduzione elettrochimica agiscono congiuntamente. Anziché affidarsi esclusivamente al potenziale elettrico e alla circolazione convenzionale dell’elettrolita, l’elettroestrazione sonica introduce un’intensa miscelazione locale direttamente sull’interfaccia dell’elettrodo o in prossimità di essa, dove avviene effettivamente la deposizione del metallo. È ampiamente documentato che gli ultrasuoni migliorano il trasporto di massa, disturbano lo strato di diffusione, puliscono le superfici degli elettrodi, rimuovono le bolle di gas e favoriscono velocità elettrochimiche più elevate.

Sonde sono-elettriche: 2 trasduttori a ultrasuoni agitano rispettivamente l'anodo e il catodo. Gli sono-elettrodi o le sonde sono-elettriche fungono contemporaneamente da elettrodi e da sonde a ultrasuoni per migliorare l'elettroestrazione.

Dal minerale al catodo: come funziona la sonoelettrodeposizione

L'elettroestrazione industriale inizia solitamente con la lisciviazione. In questa fase a monte, il metallo di interesse viene disciolto da un minerale, un concentrato, un residuo di lavorazione, una scoria, una massa nera, rifiuti elettronici o altra materia prima metallurgica in una soluzione acquosa. A seconda del metallo e della composizione chimica del minerale, l’agente di lisciviazione può essere acido, alcalino, a base di cloruro, a base di solfato, a base di cianuro, ammoniacale, a base di acidi organici o altrimenti formulato chimicamente su misura per dissolvere la fase metallica di valore.
Dopo la lisciviazione, la soluzione di lisciviazione ricca di metalli viene solitamente chiarificata, purificata e regolata in termini di pH, conduttività, temperatura, concentrazione di metalli e profilo delle impurità. Nella cella di elettroestrazione, questo elettrolita contenente metalli 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. Nell’elettroestrazione ultrasonica, gli ultrasuoni vengono introdotti in questo ambiente elettrochimico in modo che l’energia acustica intensifichi il trasporto degli ioni e il ricambio dello strato limite dell’elettrodo.

In parole povere, la sequenza del processo è la seguente:

• Lisciviazione: I metalli preziosi vengono estratti dal minerale o dalle materie prime secondarie e disciolti in una soluzione.
• Condizionamento della soluzione: Il liquido di lisciviazione viene purificato o trattato per migliorare la selettività e il comportamento di deposizione.
• Deposizione sono-elettrochimica: Nella cella di elettroestrazione, gli ultrasuoni e la corrente elettrica agiscono simultaneamente.
• Recupero del catodo: I depositi metallici vengono raccolti sotto forma di lamiere, polvere, spugna, fogli o in altre forme, a seconda della progettazione del processo.
• Ricircolo degli elettroliti: L'elettrolita esaurito 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 solo la reazione elettrica in sé, ma anche l’apporto di ioni metallici freschi alla superficie del catodo, la rimozione dei prodotti di reazione e delle bolle di gas, nonché il mantenimento di un’interfaccia elettrodica attiva, pulita e omogenea. Gli ultrasuoni risolvono direttamente questi limiti.
Quando gli ultrasuoni ad alta potenza penetrano nell’elettrolita, provocano la cavitazione acustica: si formano bolle microscopiche che oscillano e poi collassano. Questi collassi generano microgetti, onde d’urto e un intenso taglio locale. Nella lavorazione in fase liquida, ciò può determinare miscelazione localizzata, micromiscelazione, dispersione, deagglomerazione e trasporto interfacciale accelerato.
La tecnologia ultrasonica e sono-elettrica di Hielscher si basa sulla cavitazione acustica controllata per il trattamento dei liquidi, in cui le onde ultrasoniche generano campi di cavitazione che producono forze di taglio, onde d’urto, microgetti e un trasferimento di energia riproducibile in fluidi, sospensioni e impasti.
Nell’elettroestrazione, questi effetti sono particolarmente preziosi poiché la reazione elettrochimica avviene in superficie. Gli ultrasuoni possono ridurre i gradienti di concentrazione in prossimità dell’elettrodo, comprimere o interrompere lo strato di diffusione e portare continuamente nuovi ioni metallici al catodo. Recenti studi sul trasporto di massa elettrochimico potenziato dagli ultrasuoni descrivono un aumento della corrente attraverso la compressione dello strato di diffusione indotta dal flusso acustico, mentre le ricerche sull’elettrodeposizione assistita da ultrasuoni riportano un miglioramento del trasporto ionico grazie agli effetti di cavitazione, microflusso e pressione acustica.

La sinergia: sonicazione ed elettrochimica

Il vantaggio della sono-elettroestrazione non consiste semplicemente nel fatto che gli ultrasuoni “mescola” La soluzione. Le sonde Hielscher Sono-Electro-Probes combinano sonde a ultrasuoni ed elettrodi che immettono contemporaneamente ultrasuoni ad alta intensità e corrente elettrica in un sistema elettrochimico. In questo contesto, la chiave sta nell’accoppiamento sinergico di due campi energetici: l’energia elettrica guida 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 rilevanti dal punto di vista industriale:

• Maggiore trasferimento di massa: La sonicazione migliora l'apporto di ioni metallici disciolti alla superficie del catodo, riducendo l'esaurimento locale.
• Superfici degli elettrodi più pulite: La cavitazione e lo streaming acustico contribuiscono a rimuovere i film passivanti, le particelle non saldamente aderenti, le bolle di gas e i prodotti di reazione.
• Potenziale di miglioramento dell'efficienza di corrente: Un'interfaccia elettrodica più attiva può ridurre le perdite associate alla polarizzazione di concentrazione e all'ostruzione superficiale, sebbene l'efficienza 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, più densi e più uniformi, nonché a strutture a grana più fine.
• Cinetica di elettrodeposizione più rapida: Un miglioramento del trasferimento di massa e dell'attivazione superficiale può consentire velocità di deposizione più elevate in condizioni ottimizzate.
• Limiti della diffusione ridotta: Agendo sullo strato limite in corrispondenza dell’elettrodo, gli ultrasuoni possono favorire una deposizione più uniforme anche quando le concentrazioni di metallo sono relativamente basse.
• Migliore gestione degli elettroliti complessi: L'agitazione a ultrasuoni può facilitare il trattamento di sospensioni, particelle fini e liquidi di lisciviazione difficili, migliorando la dispersione e riducendo il ristagno localizzato.

Ciò rende l'elettroestrazione sonica particolarmente interessante per i circuiti idrometallurgici in cui l'elettroestrazione convenzionale è limitata da cinetica lenta, morfologia del deposito insoddisfacente, polarizzazione di concentrazione, incrostazioni sugli elettrodi, copertura da bolle di gas o bassa concentrazione di ioni metallici.

Velocità di dissoluzione convenzionali e sonoelettrochimiche degli elettrodi di Pt.
Studio e grafici: ©Vasile et al., 2021

Vantaggi industriali per l'estrazione dei metalli

Nell'estrazione industriale dei metalli, il valore della sono-elettroestrazione risiede nell'intensificazione del processo. È potenzialmente possibile recuperare una maggiore quantità di metallo in un tempo più breve, con una morfologia del deposito migliorata e un funzionamento più stabile della cella, a condizione che la potenza di sonicazione, la geometria degli elettrodi, la composizione dell'elettrolita e la densità di corrente siano adeguatamente calibrate.

In pratica, la sonoelettrolisi consente di:

• Recupero dai liquidi di lisciviazione a bassa concentrazione: Un migliore trasferimento di massa può contribuire a mantenere la deposizione quando le concentrazioni di metallo disciolto non sono ottimali.
• Migliore qualità del catodo: Depositi più lisci e uniformi possono semplificare le fasi successive di separazione, fusione, raffinazione o movimentazione delle polveri.
• Minore tendenza alle incrostazioni: Il rinnovamento continuo della superficie può ridurre l'impatto della passivazione e la formazione di film superficiali indesiderati.
• Progettazione di processo più compatta: Una cinetica più rapida potrebbe consentire l'utilizzo di celle più piccole o una maggiore produttività, a seconda della chimica del processo.
• Recupero potenziato 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, in cui è utile intensificare il trasferimento di massa.
• Maggiore controllabilità del processo: I moderni sistemi a ultrasuoni possono essere integrati in impianti in linea, sia a ciclo discontinuo che a ciclo continuo, e regolati in base all’ampiezza, al tempo di permanenza, alla portata, alla temperatura e all’apporto energetico.

I sistemi sono-elettro di Hielscher sono unici: il sono-elettrodo funge contemporaneamente da sonda a ultrasuoni e da elettrodo. Le configurazioni sono-elettro sono progettate per il trattamento scalabile dei liquidi, dai test di laboratorio alle operazioni pilota fino alla produzione industriale in linea. Gli ultrasuoni ad alta potenza, la capacità di funzionamento continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7, la robustezza di livello industriale e la ridotta manutenzione rendono i sistemi sono-elettro di Hielscher ideali per la sono-elettroestrazione industriale.
Il scale-up lineare, ottenuto attraverso il controllo di parametri quali l'ampiezza, l'apporto energetico, la portata, la temperatura e il tempo di permanenza, consente di aumentare in modo significativo le capacità produttive.

Elettroestrazione sonica nella catena di lisciviazione-elettroestrazione

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

Un percorso di processo tipico potrebbe presentarsi così:

1. Il minerale frantumato, il concentrato, gli sterili o le materie prime secondarie 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 leachatura satura viene regolata chimicamente per consentire l'elettroestrazione selettiva.
4. L'elettrolita viene immesso in una cella di elettroestrazione dotata di sono-elettrodi e di un sistema di ricircolo.
5. La sonicazione migliora il trasporto ionico e il rinnovamento della superficie dell'elettrodo, mentre la corrente applicata provoca la deposizione del metallo sul catodo.
6. Il prodotto metallico viene recuperato e l'elettrolita viene riciclato o inviato a un ulteriore trattamento.

Questa combinazione risulta particolarmente interessante nei casi in cui l’industria dell’estrazione dei metalli debba trattare risorse più complesse. Molte materie prime del futuro presentano tenori di metallo inferiori, un maggior numero di impurità, particelle più fini, composizioni chimiche miste o una composizione variabile. L’elettroestrazione sonica offre una soluzione per rendere più affidabile la fase di recupero elettrochimico, migliorando l’interazione tra l’elettrolita e la superficie dell’elettrodo.

Recupero elettrochimico-sonico dei metalli: rese più elevate a costi di processo inferiori

L'elettroestrazione è già un pilastro fondamentale dell'idrometallurgia, poiché consente di recuperare metalli da soluzioni acquose sotto forma di prodotti solidi di alto valore. La sono-elettroestrazione migliora l'elettroestrazione convenzionale aumentando l'efficienza di recupero, l'efficienza di corrente e riducendo il consumo energetico.
Gli effetti sinergici degli ultrasuoni ad alta potenza e dell’elettroestrazione superano i limiti fisici dell’interfaccia elettrochimica e consentono un recupero dei metalli più intensivo, controllato e potenzialmente più efficiente. Nel settore minerario, del riciclaggio e metallurgico, questa tecnologia contribuisce 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 produttività.

L'elettroestrazione sonica come strumento di intensificazione del processo

Il futuro dell’estrazione dei metalli dipenderà dalla capacità di recuperare una maggiore quantità di metallo da risorse più difficili da sfruttare. In molte regioni i giacimenti ad alto tenore sono in calo, mentre la domanda di rame, nichel, cobalto, metalli legati al litio, metalli preziosi ed elementi rari è in aumento. Allo stesso tempo, l’industria sta ampliando il proprio campo d’azione dai minerali primari alle risorse secondarie quali batterie esaurite, rottami elettronici, catalizzatori, residui industriali e acque di processo.
L’elettroestrazione ultrasonica offre una strategia convincente di intensificazione del processo in questo contesto. Combinando la selettività del recupero elettrochimico dei metalli con la potenza interfacciale della cavitazione ultrasonica, è in grado di migliorare il trasferimento di massa, l’attività degli elettrodi, la morfologia dei depositi e la robustezza del processo. Per gli operatori industriali, ciò si traduce in un percorso più efficace che porta dagli ioni metallici lisciviati al prodotto metallico recuperabile.
In sintesi, l’elettroestrazione sonica 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; e insieme creano una potente piattaforma per la moderna estrazione idrometallurgica.

Sonde sono-elettriche ad alte prestazioni e sono-elettro-reattori

Hielscher Ultrasonics è il vostro partner di lunga data per i sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni. Produciamo e distribuiamo sonde e reattori a ultrasuoni all'avanguardia, utilizzati in tutto il mondo per applicazioni pesanti in ambienti difficili. Per la sonoelettrochimica, Hielscher ha sviluppato speciali sonde a ultrasuoni, che possono fungere da catodo e/o anodo, nonché celle a reattore a ultrasuoni adatte alle reazioni elettrochimiche. Gli elettrodi e le celle a ultrasuoni sono disponibili per sistemi galvanici/voltaici ed elettrolitici.
 

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Letteratura / Riferimenti

• Eugeniu Vasile, Adrian Ciocanea, Viorel Ionescu, Ioan Lepadatu, Cornelia Diac, Serban N. Stamatin (2021): Rendere economici i metalli preziosi: Un metodo sonoelettrochimico – a cavitazione idrodinamica per il riciclaggio dei metalli del gruppo del platino dai catalizzatori automobilistici esausti. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 72, 2021.
• Sherif S. Rashwan, Ibrahim Dincer, Atef Mohany, Bruno G. Pollet (2019): Il processo Sono-Hydro-Gen (produzione di idrogeno indotta da ultrasuoni): sfide e opportunità. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 44, Numero 29, 2019, 14500-14526.
• Yurdal K.; Karahan İ.H. (2017): Studio di voltammetria ciclica sull’elettrodeposizione di film di lega di rame-zinco: effetto del tempo di trattamento ultrasonicoActa Physica Polonica, vol. 132, 2017, pp. 1087-1090.
• Mason, T.; Sáez Bernal, V. (2012): Introduzione alla sonoelettrochimica In: “Power Ultrasound in Electrochemistry: From Versatile Laboratory Tool to Engineering Solution”, prima edizione. A cura di Bruno G. Pollet. 2012 John Wiley & Sons, Ltd.
• Haas, I.: Pensieri A. (2008): Sintesi di nanoparticelle di magnesio metallico mediante sonoelettrochimica. Chemical Communications 15(15), 2008. 1795-1798.
• Ashassi-Sorkhabi, H.; Bagheri, R. (2014): Sintesi sonoelettrochimica ed elettrochimica di film di polipirrolo su acciaio St-12 e relativi studi sulla corrosione e sulla morfologia. Advances in Polymer Technology, vol. 33, n. 3; 2014.
• La sintesi sono-elettrochimica migliora l'efficienza della produzione chimica