Lixiviação por ultrassons de elementos de terras raras a partir de cinzas
A lixiviação por ultrassons 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 cinza e os agentes de lixiviação, o ultrassom de alta potência acelera a dissolução e ajuda a tornar os elementos valiosos mais acessíveis. Estudos sobre cinzas volantes de carvão demonstram esse 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.
As cinzas como recurso secundário para elementos de terras raras
As cinzas representam um recurso secundário promissor para os elementos de terras raras (ETR). Os resíduos da combustão do carvão podem conter ítrio e outras terras raras utilizadas na eletrónica, nas tecnologias energéticas e nos materiais avançados. A recuperação destes elementos a partir dos 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 circundante restringir o acesso dos reagentes. Consequentemente, a composição da cinza, 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 por ultrassons 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, ao mesmo tempo, reduz o tempo de processamento!
Instalação industrial de sonicadores Hielscher: conjunto de sonicadores de 48 kW para a lixiviação em linha de elementos de terras raras a partir de cinzas de carvão
Como o ultrassom melhora a lixiviação das cinzas
O ultra-som de alta potência intensifica a extração sólido-líquido através da cavitação acústica. Formam-se e colapsam bolhas microscópicas no líquido, gerando forças de cisalhamento locais, microjatos e uma mistura intensa. Estes efeitos podem dispersar aglomerados de partículas, limpar superfícies expostas e melhorar o transporte de agentes de lixiviação para locais reativos. As espécies dissolvidas são transportadas mais rapidamente, ajudando a manter a dissolução.
No que diz respeito ao tratamento das cinzas, estes efeitos oferecem várias vantagens práticas:
- Lixiviação mais rápida: Uma transferência de massa melhorada pode reduzir o tempo necessário para extrair os metais acessíveis.
- Maiores rendimentos de extração: Um melhor contacto superficial pode ajudar a libertar o material que permanece insuficientemente lixiviado com a mistura convencional.
- Combinação com pré-tratamento: A ultrassonografia pode intensificar a fase de lixiviação depois de a ativação ter tornado as fases resistentes mais acessíveis.
- Desenvolvimento flexível de processos: A sonicação pode ser 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 a seguir ilustram estas vantagens em condições experimentais específicas. O ítrio é um elemento das terras raras; o gálio e o vanádio são outros metais valiosos. A sua extração fornece evidências complementares a favor do processamento ultrassónico das cinzas.
Ítrio e vanádio: extração de até 97 % e 100 %
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 registada atingiu 100% para o vanádio e 97% para o ítrio.
Um modelo modificado de núcleo em contração indicou que a difusão de massa controlava a velocidade de reação. Esta conclusão destaca a importância dos processos de transporte no sistema investigado e apoia a necessidade de se centrar na transferência de massa durante a otimização do processo. Os resultados demonstram que é possível alcançar uma elevada extração de ítrio com o tratamento combinado, embora os rendimentos relatados reflitam o uso completo do reagente e do sistema de ultrassons.
Imagens FESEM de cinzas de carvão em bruto: (a) à esquerda, antes da lixiviação das cinzas de carvão; (b) após a lixiviação por ultrassons.
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 por ultrassons após a torra de ativação com carbonato de sódio. O pré-tratamento otimizado consistiu na torrefacção a 850 °C durante 60 minutos, utilizando uma relação em massa entre cinzas volantes e Na₂CO₃ de 2:1. A lixiviação ácida por ultrassons subsequente permitiu obter uma elevada extração de gálio e vanádio em 20 minutos.
| Parâmetro | Lixiviação por ultrassons após a torrefação de ativação | Lixiviação convencional |
|---|---|---|
| Tempo de lixiviação | Vinte minutos | 180 minutos |
| 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 diminuição de 88,89% na duração da fase de lixiviação. A análise cinética indicou um aumento das constantes de velocidade e uma melhoria tanto nos processos de transferência de massa como nos de reação interfacial. Estes resultados demonstram o potencial da combinação da torrefação de ativação com a lixiviação por ultrassons. A poupança de tempo aplica-se à lixiviação; a torrefação continua a ser uma etapa adicional do processo.
A lixiviação ácida por ultra-sons funciona a um ritmo doze vezes mais rápido do que a lixiviação ácida convencional, devido à ação mecânica benéfica das bolhas de cavitação que rebentam perto da 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 de alta intensidade
Desenvolva o seu processo de lixiviação por ultrassons 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, mais do que o 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 disponibiliza sonicadores de bancada de nível industrial e reatores de fluxo ultrassónicos de alta resistência para o desenvolvimento e implementação de processos de lixiviação intensificados. A seleção do equipamento e a realização de ensaios permitem determinar a amplitude, a carga de sólidos, o tempo de permanência e o controlo de temperatura adequados para um determinado tipo de cinza.
Ampliação simples para grandes volumes: Uma vez estabelecidos os parâmetros para uma recuperação ideal, estes podem ser então ampliados linearmente para qualquer volume de lixiviação comercial.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultra-sónicos de alto 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 ultra-sónica (d-f).
Imagem e estudo: © Canciani et al., 2024
perguntas frequentes
De que forma o ultrassom melhora a lixiviação de terras raras a partir das cinzas?
O ultrassom gera cavitação acústica na pasta de lixiviação. O colapso das bolhas produz uma mistura local intensa, forças de cisalhamento e microjatos que melhoram o contacto entre as partículas de cinza e a solução de lixiviação. Estes efeitos expõem superfícies reativas e aceleram a transferência de massa, contribuindo para aumentar os rendimentos de extração e reduzir os tempos de lixiviação.
Que elementos de terras raras e metais preciosos podem ser extraídos das cinzas?
Dependendo da sua origem e composição mineral, as cinzas podem ser submetidas a lixiviação 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 constituem uma fonte potencial destes elementos.
Outros metais valiosos incluem o gálio (Ga) e o vanádio (V) em cinzas de carvão adequadas, e o cobre (Cu) e o zinco (Zn) em cinzas provenientes da incineração de resíduos urbanos.
Por que razão se deve utilizar um sonicador com sonda de alta resistência para a lixiviação de cinzas?
Um sonicador com sonda introduz energia ultrassónica diretamente na pasta através de um sonotrodo (sonda/haste ultrassónica). Isto permite um tratamento intensivo de misturas sólido-líquido e proporciona condições de processamento ajustáveis. O equipamento de sonicação industrial da Hielscher permite a integração em circuitos de lixiviação, onde a entrada controlada de energia e um funcionamento fiável são essenciais. A configuração deve corresponder à composição da pasta, à carga de sólidos e ao rendimento exigido.
Eis algumas das aplicações de lixiviação da Hielscher:
Os sonicadores da Hielscher podem funcionar de forma contínua?
Sim. Os sonicadores industriais da Hielscher, tais como o UIP500hdT (500 W) até ao UIP16000hdT (16 000 W), foram concebidos para um funcionamento contínuo 24 horas por dia, 7 dias por semana. Podem ser configurados para tratamento em lote, recirculação ou processamento contínuo através de uma célula de fluxo ultrassónica. Para a lixiviação de cinzas, a instalação integra o bombeamento de lama, o controlo da temperatura e o processo químico de lixiviação selecionado.
Será que a lixiviação por ultrassons pode ser ampliada para a produção industrial?
Sim, os sonicadores da Hielscher permitem um aumento de escala linear. A Hielscher disponibiliza equipamento para ensaios laboratoriais, processamento piloto e produção industrial, incluindo processadores de 16 kW que podem ser combinados em conjuntos. O aumento de escala começa com ensaios para determinar a amplitude, a energia aplicada, a temperatura e o tempo de permanência adequados. Estes resultados servem de base para a seleção da capacidade do reator e para a validação do desempenho da extração ao rendimento exigido.
O ultrassom substitui os ácidos ou a torrefação de ativação?
O ultrassom intensifica o processo de lixiviação, enquanto os reagentes químicos proporcionam as reações necessárias para dissolver os elementos-alvo. Algumas cinzas podem também necessitar de um pré-tratamento para tornar acessíveis as fases minerais resistentes.
Que parâmetros do processo podem ser monitorizados?
Todos os sonicadores da Hielscher a partir de 200 watts permitem a monitorização e o registo automático da amplitude, potência, tempo de tratamento e temperatura, sendo possível medir a pressão através de um sensor opcional. Estes dados ajudam a comparar ensaios e a reproduzir as condições de funcionamento de forma fiável. A eficiência da extração de elementos de terras raras deve ser determinada separadamente através da análise química da matéria-prima, do lixiviado e dos sólidos remanescentes.
É possível utilizar equipamento ultrassónico com lamas de cinzas ácidas e abrasivas?
A Hielscher Ultrasonics oferece soluções para a sonicação de suspensões ácidas e abrasivas de cinzas. Os sonotrodos, as células de fluxo, as juntas e outros componentes em contacto com o fluido devem ser selecionados tendo em conta a composição do ácido, a concentração, a temperatura e a 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 requer também processos de separação e purificação a jusante. A recuperação global depende do desempenho de todo o processo.
Como posso escolher um sonicador da Hielscher para o meu processo?
Comece por recolher amostras representativas de cinzas e defina os elementos-alvo, a concentração da pasta, a composição química da lixiviação, o volume do lote ou o caudal e o rendimento de extração pretendido. Na Hielscher, podemos ajudá-lo a selecionar o equipamento adequado para ensaios de viabilidade e para o subsequente aumento linear da escala. O nosso centro técnico e laboratório de processos também disponibilizam ensaios para apoiar a seleção do equipamento.
Literatura / 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 ultra-sónicos de alto desempenho a partir de laboratório para dimensão industrial.