Lixiviação ultrassónica de elementos de terras raras a partir de cinzas
A lixiviação ultrassónica pode aumentar os rendimentos de extração e reduzir os tempos de processamento na recuperação de elementos de terras raras a partir de cinzas. Ao melhorar o contacto entre as partículas de cinzas e os agentes de lixiviação, os ultrassons de potência aceleram a dissolução e ajudam a tornar os elementos valiosos mais acessíveis. Estudos sobre cinzas volantes de carvão demonstram este potencial: os investigadores relataram uma extração de ítrio de 97%, enquanto um estudo separado sobre gálio e vanádio reduziu o tempo de lixiviação ácida de 180 para 20 minutos.
Cinzas como recurso secundário de elementos de terras raras
As cinzas representam um recurso secundário promissor de elementos de terras raras (REEs). Os resíduos da combustão de carvão podem conter ítrio e outras terras raras utilizadas na eletrónica, nas tecnologias energéticas e em materiais avançados. A recuperação destes elementos a partir de fluxos e depósitos de cinzas existentes poderia diversificar o abastecimento de matérias-primas e transformar um material destinado a eliminação numa matéria-prima útil.
O potencial de extração depende tanto da concentração dos elementos como da sua acessibilidade. Uma cinza pode conter elementos valiosos, mas libertar apenas uma fração limitada durante a lixiviação se a matriz mineral envolvente restringir o acesso dos reagentes. Por conseguinte, a composição das cinzas, o pré-tratamento e a química da lixiviação devem ser considerados em conjunto. A recuperação de vários elementos valiosos a partir da mesma matéria-prima também pode melhorar as perspetivas de um processo.
A lixiviação ultrassónica fragmenta as partículas de cinzas, tornando as terras raras acessíveis aos reagentes de lixiviação. Ao melhorar a transferência de massa entre as partículas e o reagente, a sonicação aumenta a recuperação e reduz o tempo de processamento!
Instalação industrial de sonicadores Hielscher: conjunto de sonicadores de 48kW para a lixiviação em linha de elementos de terras raras a partir de cinzas de carvão
Como os ultrassons melhoram a lixiviação de cinzas
Os ultrassons de potência intensificam a extração sólido–líquido através da cavitação acústica. Formam-se bolhas microscópicas no líquido que colapsam, gerando forças locais de cisalhamento, microjatos e uma mistura intensa. Estes efeitos podem dispersar aglomerados de partículas, limpar superfícies expostas e melhorar o transporte dos agentes de lixiviação até aos locais reativos. As espécies dissolvidas são afastadas mais rapidamente, ajudando a manter a dissolução.
No processamento de cinzas, estes efeitos oferecem várias vantagens práticas:
- Lixiviação mais rápida: Uma melhor transferência de massa pode reduzir o tempo necessário para extrair os metais acessíveis.
- Rendimentos de extração mais elevados: Um melhor contacto com a superfície pode ajudar a libertar material que permanece insuficientemente lixiviado com mistura convencional.
- Combinação com pré-tratamento: Os ultrassons podem intensificar a etapa de lixiviação depois de a ativação tornar as fases resistentes mais acessíveis.
- Desenvolvimento flexível do processo: A sonicação pode ser desenvolvida e adaptada a diferentes concentrações de ácido, cargas de sólidos, temperaturas e tempos de tratamento.
Exemplos de investigação: rendimentos elevados e tempos de lixiviação mais curtos
Os estudos seguintes ilustram estas vantagens em condições experimentais específicas. O ítrio é um elemento de terras raras; o gálio e o vanádio são outros metais valiosos. A sua extração fornece evidências complementares sobre o processamento ultrassónico de cinzas.
Ítrio e vanádio: até 97% e 100% de extração
Masoum et al. (2021) investigaram a extração de vanádio e ítrio a partir de cinzas volantes de carvão utilizando ácido sulfúrico, peróxido de hidrogénio e ultrassons. Os investigadores aplicaram a metodologia de superfície de resposta para otimizar a relação sólido/líquido e as proporções de ácido sulfúrico e peróxido de hidrogénio. Nas condições otimizadas, a extração relatada atingiu 100% para o vanádio e 97% para o ítrio.
Um modelo modificado de núcleo retrátil indicou que a difusão de massa controlava a velocidade da reação. Esta conclusão realça a importância dos processos de transporte no sistema investigado e sustenta a intervenção na transferência de massa durante a otimização do processo. Os resultados demonstram que é possível obter uma elevada extração de ítrio com o tratamento combinado, embora os rendimentos relatados reflitam o sistema completo de reagentes e ultrassons.
Imagens FESEM de cinzas de carvão em bruto: (a), à esquerda, antes da lixiviação das cinzas de carvão; (b), após a lixiviação ultrassónica.
Estudo e imagens: ©Masoum et al., 2021
Gálio e vanádio: tempo de lixiviação 88,89% mais curto
Zhang et al. (2026) investigaram a lixiviação ácida ultrassónica após uma ustulação de ativação com carbonato de sódio. O pré-tratamento otimizado consistiu numa ustulação a 850°C durante 60 minutos, utilizando uma relação mássica de cinzas volantes para Na₂CO₃ de 2:1. A lixiviação ácida ultrassónica subsequente alcançou uma elevada extração de gálio e vanádio em 20 minutos.
| Parâmetro | Lixiviação ultrassónica após ustulação de ativação | Lixiviação convencional |
|---|---|---|
| Tempo de lixiviação | 20 min | 180 min |
| Eficiência de lixiviação do gálio | 98,14% | 63,81% |
| Eficiência de lixiviação do vanádio | 92,32% | 83,56% |
A redução de 180 para 20 minutos corresponde a uma etapa de lixiviação 88,89% mais curta. A análise cinética indicou um aumento das constantes de velocidade e uma melhoria tanto da transferência de massa como dos processos de reação interfacial. Estes resultados demonstram o potencial da combinação da ustulação de ativação com a lixiviação ultrassónica. A poupança de tempo aplica-se à lixiviação; a ustulação continua a ser uma etapa adicional de processamento.
A lixiviação ácida intensificada por ultrassons decorre a uma velocidade doze vezes superior à da lixiviação ácida convencional, devido à ação mecânica benéfica das bolhas de cavitação que rebentam junto à superfície. Este fenómeno melhora a mistura da solução ácida, melhorando assim as propriedades de transporte.
Imagem e estudo: © Canciani et al., 2024
2 sonicadores industriais UIP4000hdT para processamento intensivo
Desenvolva o seu processo de lixiviação ultrassónica para uma elevada recuperação de terras raras
Na extração prática de terras raras, a lixiviação é seguida pela separação e purificação dos elementos dissolvidos. Uma elevada eficiência de lixiviação representa, portanto, um resultado intermédio importante, em vez do rendimento de um produto final de terras raras. A avaliação do processo deve incluir a recuperação a jusante, a utilização de reagentes e a energia necessária tanto para o pré-tratamento como para a sonicação.
A Hielscher oferece sonicadores de bancada de qualidade industrial e reatores ultrassónicos de fluxo para aplicações intensivas, destinados ao desenvolvimento e à implementação de processos de lixiviação intensificados. A seleção do equipamento e os ensaios podem estabelecer a amplitude, a carga de sólidos, o tempo de residência e o controlo da temperatura adequados a uma determinada cinza.
Aumento simples de escala para grandes volumes: Uma vez estabelecidos, os parâmetros para uma recuperação ótima podem ser transpostos linearmente para qualquer volume de lixiviação comercial.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassónicos de elevado desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração à escala laboratorial, piloto e industrial.
Imagens SEM de partículas em diferentes momentos da lixiviação convencional (a–c) e ultrassónica (d–f).
Imagem e estudo: © Canciani et al., 2024
Perguntas frequentes
Como melhoram os ultrassons a lixiviação de terras raras a partir de cinzas?
Os ultrassons geram cavitação acústica na suspensão de lixiviação. As bolhas que colapsam produzem uma mistura local intensa, forças de cisalhamento e microjatos que melhoram o contacto entre as partículas de cinzas e a solução de lixiviação. Estes efeitos expõem superfícies reativas e aceleram a transferência de massa, ajudando a aumentar os rendimentos de extração e a reduzir os tempos de lixiviação.
Que elementos de terras raras e metais valiosos podem ser lixiviados a partir de cinzas?
Dependendo da sua origem e composição mineral, as cinzas podem ser lixiviadas para extrair elementos de terras raras, incluindo lantânio (La), cério (Ce), neodímio (Nd), disprósio (Dy), ítrio (Y) e escândio (Sc). As cinzas volantes de carvão são uma fonte potencial destes elementos.
Outros metais valiosos incluem gálio (Ga) e vanádio (V) em cinzas de carvão adequadas, e cobre (Cu) e zinco (Zn) em cinzas da incineração de resíduos urbanos.
Porquê utilizar um sonicador de sonda para aplicações intensivas na lixiviação de cinzas?
Um sonicador de sonda introduz energia ultrassónica diretamente na suspensão através de um sonotrodo (sonda/haste ultrassónica). Isto permite o tratamento intensivo de misturas sólido–líquido e proporciona condições de processamento ajustáveis. O equipamento industrial de sonicação da Hielscher permite a integração em circuitos de lixiviação onde o fornecimento controlado de energia e o funcionamento fiável são essenciais. A configuração deve adequar-se à composição da suspensão, à carga de sólidos e à capacidade de processamento necessária.
Eis algumas aplicações de lixiviação da Hielscher:
Os sonicadores Hielscher podem funcionar continuamente?
Sim. Os sonicadores industriais Hielscher, desde o UIP500hdT (500W) até ao UIP16000hdT (16 000W), são concebidos para funcionamento contínuo 24/7. Podem ser configurados para tratamento por lotes, recirculação ou processamento contínuo através de uma célula de fluxo ultrassónica. Para a lixiviação de cinzas, a instalação é integrada no bombeamento da suspensão, no controlo da temperatura e na química de lixiviação selecionada.
É possível aumentar a escala da lixiviação ultrassónica para a produção industrial?
Sim, os sonicadores Hielscher permitem um aumento linear de escala. A Hielscher oferece equipamento para ensaios laboratoriais, processamento à escala piloto e produção industrial, incluindo processadores de 16 kW que podem ser combinados em conjuntos. O aumento de escala começa com ensaios para estabelecer a amplitude, o fornecimento de energia, a temperatura e o tempo de residência adequados. Estes resultados fornecem a base para selecionar a capacidade do reator e validar o desempenho da extração à capacidade de processamento necessária.
Os ultrassons substituem os ácidos ou a ustulação de ativação?
Os ultrassons intensificam o processo de lixiviação, enquanto os reagentes químicos fornecem a química necessária para dissolver os elementos-alvo. Algumas cinzas podem também necessitar de pré-tratamento para tornar acessíveis as fases minerais resistentes.
Que parâmetros do processo podem ser monitorizados?
Todos os sonicadores Hielscher a partir de 200 watts permitem a monitorização e o registo automático da amplitude, da potência, do tempo de tratamento e da temperatura, estando a medição da pressão disponível através de um sensor opcional. Estes dados ajudam a comparar ensaios e a reproduzir as condições de funcionamento de forma fiável. A eficiência de extração dos elementos de terras raras deve ser determinada separadamente através da análise química do material de alimentação, do lixiviado e dos sólidos remanescentes.
O equipamento ultrassónico pode ser utilizado com suspensões de cinzas ácidas e abrasivas?
A Hielscher Ultrasonics oferece soluções para sonicar suspensões de cinzas ácidas e abrasivas. Os sonotrodos, as células de fluxo, os vedantes e os restantes componentes em contacto com o fluido têm de ser selecionados em função da composição do ácido, da concentração, da temperatura e da abrasividade das partículas.
Uma maior eficiência de lixiviação significa uma maior recuperação final de terras raras?
Sim, uma maior eficiência de lixiviação significa que uma maior quantidade do elemento-alvo é transferida para a fase líquida. A produção de um produto de terras raras utilizável também exige separação e purificação a jusante. A recuperação global depende do desempenho do processo completo.
Como seleciono um sonicador Hielscher para o meu processo?
Comece com amostras representativas de cinzas e defina os elementos-alvo, a concentração da suspensão, a química da lixiviação, o volume por lote ou o caudal e o rendimento de extração pretendido. Na Hielscher, podemos ajudá-lo a selecionar equipamento para ensaios de viabilidade e para o subsequente aumento linear de escala. O nosso centro técnico e laboratório de processos também disponibiliza ensaios para apoiar a seleção do equipamento.
Bibliografia / Referências
- 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.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassónicos de elevado desempenho desde a escala laboratorial até à escala industrial.