Lisciviazione a ultrasuoni dei metalli preziosi

Gli ultrasuoni di potenza sono una tecnica efficace per estrarre metalli come i metalli preziosi e le terre rare. Questo processo di estrazione solido-liquido assistita da ultrasuoni è noto come sonolisciviazione, lisciviazione o lavaggio. I robusti sonicatori industriali possono essere installati facilmente per lisciviare le terre rare dai minerali, trattare le sospensioni minerarie per un recupero più completo o separare metalli di alto valore (ad es. Cu, Zn, Ni) da metalli di minor valore.

La lisciviazione a ultrasuoni favorisce la reazione attraverso il trasferimento di massa e la dissoluzione, consentendo di ottenere rese più elevate in tempi di estrazione più brevi.
I principali vantaggi della lisciviazione a ultrasuoni sono:

• resa più elevata
• lisciviazione più completa
• consumo ridotto di reagenti
• condizioni più blande
• semplicità delle prove di fattibilità
• passaggio di scala lineare
• facile installazione di sistemi a ultrasuoni su piena scala commerciale
• sonicatori molto robusti per flussi di grande volume

Lisciviazione a ultrasuoni dei metalli preziosi: estrazione più rapida grazie alla chimica della cavitazione

Il recupero di metalli preziosi come oro, argento, platino, palladio e rodio è un pilastro della metallurgia moderna e del riciclo – soprattutto nella lavorazione di minerali, concentrati e risorse secondarie come rottami elettronici e convertitori catalitici. Sebbene la lisciviazione convenzionale sia ben consolidata, è spesso limitata da un trasferimento di massa lento, dalla passivazione superficiale, dalla liberazione incompleta delle fasi di valore e da un elevato consumo di reagenti.
La lisciviazione a ultrasuoni affronta molti di questi colli di bottiglia introducendo ultrasuoni ad alta intensità nella sospensione di lisciviazione e intensificando notevolmente la cinetica di reazione attraverso un fenomeno noto come cavitazione acustica.

Il meccanismo fondamentale: la cavitazione acustica

Quando gli ultrasuoni ad alta potenza vengono accoppiati a un liquido, creano bolle microscopiche di cavitazione che si formano e collassano rapidamente. Questo collasso genera condizioni locali estreme, tra cui:

• intensa micromiscelazione e forze di taglio
• microgetti ad alta velocità diretti verso le superfici solide
• punti caldi localizzati (temperature e pressioni molto elevate per microsecondi)

Sebbene questi effetti si verifichino su scala microscopica, influenzano fortemente il processo macroscopico di lisciviazione, rinnovando continuamente la superficie reattiva e accelerando il trasporto dei reagenti verso e dalle particelle solide.

La lisciviazione acida intensificata dagli ultrasuoni procede a una velocità dodici volte superiore a quella della 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, potenziando così le proprietà di trasporto.
Immagine e studio: © Canciani et al., 2024

Perché gli ultrasuoni migliorano la lisciviazione dei metalli preziosi

Nella maggior parte dei sistemi di lisciviazione, la fase che limita la velocità non è la reazione chimica in sé, bensì il trasporto dei reagenti attraverso strati limite, pori o film superficiali passivanti. La cavitazione ultrasonica migliora l’efficienza della lisciviazione attraverso diversi effetti sinergici:

1. Miglioramento del trasferimento di massa
   Gli ultrasuoni riducono lo spessore dello strato stagnante di diffusione che circonda le particelle solide. Ciò consente agli agenti liscivianti (ad es. cianuro, tiosolfato, cloruro, ioduro, tiourea o sistemi acidi) di raggiungere più rapidamente la superficie contenente metalli, mentre i complessi metallici disciolti vengono allontanati in modo più efficiente.
2. Attivazione della superficie delle particelle
   I microgetti e le onde d’urto generati dalla cavitazione erodono, puliscono e rendono ruvide continuamente le superfici delle particelle. Ciò espone nuove fasi minerali e aumenta l’area reattiva effettiva – un aspetto particolarmente importante nei minerali refrattari o nelle particelle rivestite.
3. Disgregazione degli strati di passivazione
   Molti minerali contenenti metalli preziosi formano strati superficiali durante la lisciviazione (ad es. ossidi, solfati, zolfo elementare o film di silice). Gli ultrasuoni possono disgregare fisicamente queste barriere, ripristinando l’accesso dell’agente lisciviante alla fase metallica sottostante.
4. Migliore penetrazione nei solidi porosi
   Nel caso di concentrati, catalizzatori e particelle di rifiuti elettronici, gli ultrasuoni contribuiscono a spingere il liquido nei pori e nelle microfessure, migliorando l’accesso dei reagenti ai metalli preziosi inglobati.

Distribuzioni granulometriche dopo la lisciviazione a ultrasuoni e convenzionale
Immagine e studio: © Canciani et al., 2024

Applicazioni: dai minerali al recupero di materie prime dai rifiuti urbani

La lisciviazione a ultrasuoni viene studiata sempre più sia per le risorse primarie sia per quelle secondarie:

• Oro e argento
  È stato dimostrato che gli ultrasuoni di potenza accelerano la lisciviazione dell’oro con cianuro e agenti liscivianti alternativi, migliorando il trasporto ed eliminando gli effetti della passivazione. Sono inoltre rilevanti per il recupero dell’argento da minerali e residui industriali.
• Metalli del gruppo del platino (PGM)
  Il recupero di platino, palladio e rodio – soprattutto dai convertitori catalitici esausti – si basa spesso su sistemi di lisciviazione a base di cloruri o acidi. Gli ultrasuoni migliorano la cinetica di dissoluzione intensificando le reazioni superficiali e favorendo la disgregazione di matrici complesse ceramiche/metalliche.
• Rottami elettronici
  Le schede a circuito stampato e i componenti elettronici contengono metalli preziosi di valore, ma presentano forti barriere alla diffusione dovute a polimeri, ossidi e strutture multimateriale. Il trattamento a ultrasuoni migliora l’uniformità della lisciviazione e può ridurne il tempo necessario.
• Terre rare dalle ceneri di carbone
  Le ceneri di carbone possono contenere metalli di valore e terre rare, spesso legati all’interno di fasi minerali o di una matrice vetrosa di alluminosilicati. Il trattamento a ultrasuoni migliora il contatto tra le particelle di cenere e la soluzione lisciviante, il che può aumentare l’efficienza di estrazione e abbreviare il tempo di lisciviazione.
  Scopri di più sulla lisciviazione a ultrasuoni delle terre rare dalle ceneri!

Principali vantaggi del processo

Dal punto di vista dell’ingegneria di processo, la lisciviazione a ultrasuoni offre diversi vantaggi misurabili:

• tempi di lisciviazione più brevi grazie alla cinetica accelerata
• rese di estrazione più elevate grazie al migliore accesso alla superficie
• minor consumo di reagenti in molti sistemi (è necessario un minore eccesso di agente lisciviante)
• migliore riproducibilità grazie a una dispersione e una miscelazione più efficaci
• temperatura operativa potenzialmente più bassa perché gli ultrasuoni compensano la cinetica termica più lenta

Considerazioni sul processo e passaggio di scala

Il successo della lisciviazione a ultrasuoni dipende fortemente dalla progettazione del processo. I parametri critici includono:

• densità di potenza e ampiezza degli ultrasuoni
• concentrazione della sospensione e distribuzione granulometrica
• geometria del reattore e condizioni di flusso
• controllo della temperatura
• scelta della chimica di lisciviazione (acida, alcalina, a base di cloruri, ecc.)

È importante sottolineare che l’implementazione su scala industriale richiede reattori a ultrasuoni ad alta potenza di tipo a sonda, poiché i sonicatori a bagno in genere non trasferiscono energia sufficiente alle sospensioni dense di lisciviazione. Le celle di flusso a ultrasuoni in linea possono essere integrate nei circuiti di lisciviazione continua, consentendo un funzionamento scalabile. I sonicatori Hielscher ad alte prestazioni sono costruiti per trattare grandi volumi in condizioni impegnative – aumentando le rese dei metalli lisciviati e riducendo al contempo i tempi di trattamento e l’impatto ambientale.

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono ben noti per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la facilità d’uso consentono un’integrazione agevole dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano facilmente condizioni gravose e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni dotati di tecnologia all’avanguardia e caratterizzati dalla facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi ai requisiti CE e soddisfano quelli di UL, CSA e RoHs.

Letteratura / Riferimenti bibliografici

• 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.