Lisciviazione a ultrasuoni dei metalli preziosi

Gli ultrasuoni sono una tecnica efficace per estrarre metalli come i metalli preziosi e le terre rare. Questo processo di estrazione solido-liquido assistito da ultrasuoni è noto come sono-leaching, lisciviazione o lavaggio. I robusti ultrasonici industriali possono essere facilmente installati per la lisciviazione delle terre rare dai minerali, per trattare i fanghi di estrazione per un recupero più completo o per separare i metalli di alto valore (ad esempio Cu, Zn, Ni) da quelli meno preziosi.

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

• maggiore resa
• lisciviazione più completa
• consumo ridotto di reagenti
• condizioni più miti
• semplice verifica di fattibilità
• Scalabilità lineare
• facile installazione di sistemi a ultrasuoni completamente commerciali
• ultrasuonatori 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 una pietra miliare della moderna metallurgia e del riciclaggio. – soprattutto nel trattamento di minerali, concentrati e risorse secondarie come rottami elettronici e convertitori catalitici. Sebbene la lisciviazione convenzionale sia ben consolidata, è spesso limitata da un lento trasferimento di massa, dalla passivazione della superficie, dalla liberazione incompleta di fasi preziose e dall'elevato consumo di reagenti.
La lisciviazione a ultrasuoni risolve molti di questi problemi introducendo ultrasuoni ad alta intensità nel fango di lisciviazione, intensificando notevolmente la cinetica di reazione attraverso un fenomeno noto come cavitazione acustica.

Il meccanismo centrale: Cavitazione acustica

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

• intensa micro-miscelazione e forze di taglio
• microgetti ad alta velocità diretti a superfici solide
• punti caldi localizzati (temperature e pressioni molto elevate per microsecondi)

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

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

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, ma piuttosto il trasporto dei reagenti attraverso strati limite, pori o pellicole superficiali passivanti. La cavitazione a ultrasuoni migliora l'efficienza della lisciviazione grazie a diversi effetti sinergici:

1. Trasferimento di massa potenziato
   Gli ultrasuoni riducono lo spessore dello strato di diffusione stagnante che circonda le particelle solide. Ciò consente ai liscivianti (ad esempio, cianuro, tiosolfato, cloruro, ioduro, tiourea o sistemi acidi) di raggiungere più rapidamente la superficie del metallo, mentre i complessi metallici disciolti vengono rimossi in modo più efficiente.
2. Attivazione della superficie delle particelle
   I microgetti di cavitazione e le onde d'urto erodono, puliscono e irruvidiscono continuamente le superfici delle particelle. Ciò espone fasi minerali fresche e aumenta l'area reattiva effettiva. – particolarmente importante nei minerali refrattari o nelle particelle rivestite.
3. Interruzione degli strati di passivazione
   Molti minerali contenenti metalli preziosi formano strati superficiali durante la lisciviazione (ad esempio, ossidi, solfati, zolfo elementare o film di silice). Gli ultrasuoni possono interrompere fisicamente queste barriere, ripristinando l'accesso dell'agente di lisciviazione alla fase metallica sottostante.
4. Miglioramento della penetrazione nei solidi porosi
   Per i concentrati, i catalizzatori e le particelle di rifiuti elettronici, gli ultrasuoni aiutano a forzare il liquido nei pori e nelle microfessure, migliorando l'accesso dei reagenti ai metalli preziosi incorporati.

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

Applicazioni: Dai minerali all'estrazione urbana

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

• Oro e argento
  È stato dimostrato che gli ultrasuoni accelerano la lisciviazione dell'oro in presenza di cianuro e di liscivianti alternativi, migliorando il trasporto ed eliminando gli effetti di passivazione. È importante anche per il recupero dell'argento da minerali e residui industriali.
• Metalli del gruppo del platino (MGP)
  Recupero di platino, palladio e rodio – soprattutto da convertitori catalitici esauriti – spesso si basa su sistemi di lisciviazione a base di cloruri o acidi. Gli ultrasuoni migliorano la cinetica di dissoluzione intensificando le reazioni superficiali e migliorando la disgregazione di matrici complesse di ceramica/metallo.
• Rottami elettronici
  I circuiti stampati e i componenti elettronici contengono metalli preziosi ma presentano forti barriere alla diffusione a causa di polimeri, ossidi e strutture multimateriali. Il trattamento a ultrasuoni migliora l'uniformità della lisciviazione e può ridurre il tempo di lisciviazione necessario.

Vantaggi chiave del processo

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

• tempi di lisciviazione più brevi grazie a una cinetica accelerata
• rendimenti di estrazione più elevati grazie al miglioramento dell'accesso alla superficie
• minore consumo di reagente in molti sistemi (minore necessità di lisciviante in eccesso)
• migliore riproducibilità grazie ad una migliore dispersione e miscelazione
• temperatura di esercizio potenzialmente più bassa perché gli ultrasuoni compensano una cinetica termica più lenta

Considerazioni sul processo e sulla scalabilità

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

• densità di potenza e ampiezza degli ultrasuoni
• concentrazione del fango e distribuzione granulometrica
• geometria del reattore e condizioni di flusso
• Controllo della temperatura
• scelta della chimica di lisciviazione (acida, alcalina, cloruro, ecc.).

È importante notare che l'implementazione su scala industriale richiede reattori a ultrasuoni di tipo sonda ad alta potenza, poiché i sonicatori a bagno in genere non erogano energia sufficiente nei fanghi di lisciviazione densi. Le celle di flusso a ultrasuoni in linea possono essere integrate nei circuiti di lisciviazione continua, consentendo un funzionamento scalabile. I sonicatori ad alte prestazioni Hielscher sono costruiti per trattare grandi volumi in condizioni difficili. – aumentare la resa dei metalli lisciviati, riducendo al contempo i tempi di lavorazione e l'impatto ambientale.

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.

Letteratura / Riferimenti