Sono-eletroextração para a extração industrial de metais

À medida que a procura global de cobre, níquel, cobalto, zinco, prata, ouro, metais raros e materiais relevantes para as baterias continua a aumentar, os produtores de metais estão sob pressão para recuperar mais valor de minérios, concentrados, rejeitados, fluxos reciclados e matérias-primas de baixo teor. Na hidrometalurgia, uma das vias mais consolidadas para a recuperação de metais é a eletroextração: os iões metálicos dissolvidos são recuperados de uma solução de lixiviação através da aplicação de uma corrente elétrica, que reduz os iões e deposita o metal num cátodo.

Sono-eletroextração para uma melhor recuperação hidrometalúrgica de metais

A sono-eletroextração desenvolve este princípio ao combinar a eletroextração com ultrassons de alta intensidade. O resultado é um processo sonoeletroquímico em que a cavitação acústica, as microcorrentes e a redução eletroquímica atuam em conjunto. Em vez de depender apenas do potencial elétrico e da circulação convencional do eletrólito, a sono-eletroextração introduz uma mistura local intensa diretamente na interface do elétrodo ou nas suas proximidades, onde efetivamente ocorre a deposição do metal. É amplamente referido que os ultrassons melhoram o transporte de massa, perturbam a camada de difusão, limpam as superfícies dos elétrodos, removem bolhas de gás e favorecem velocidades de reação eletroquímica mais elevadas.

Sondas sonoeletroquímicas: 2 transdutores ultrassónicos agitam o ânodo e o cátodo, respetivamente. Os sonoelétrodos ou as sondas sonoeletroquímicas atuam simultaneamente como elétrodos e sondas ultrassónicas para melhorar a eletroextração.

Do minério ao cátodo: como funciona a sonoeletrodeposição

A eletroextração industrial começa habitualmente com a lixiviação. Nesta etapa a montante, o metal pretendido é dissolvido a partir de um minério, concentrado, resíduo de processo, escória, massa negra, resíduo eletrónico ou outra matéria-prima metalúrgica, passando para uma solução aquosa. Dependendo da composição química do metal e do minério, o agente lixiviante pode ser ácido, alcalino, à base de cloretos, sulfatos, cianetos, amoniacal, à base de ácidos orgânicos ou quimicamente adaptado de outra forma para dissolver a fase metálica de valor.
Após a lixiviação, a solução de lixiviação rica em metais é geralmente clarificada, purificada e ajustada quanto ao pH, à condutividade, à temperatura, à concentração de metais e ao perfil de impurezas. Na célula de eletroextração, este eletrólito que contém metais flui entre um ânodo e um cátodo. Quando se aplica uma corrente controlada, os iões metálicos dissolvidos migram e são reduzidos na superfície do cátodo, onde formam um depósito metálico sólido. Na sono-eletroextração, os ultrassons são introduzidos neste ambiente eletroquímico para que a energia acústica intensifique o transporte de iões e a renovação da camada limite do elétrodo.

Em termos simples, a sequência do processo é a seguinte:

• Lixiviação: Os metais de valor são dissolvidos a partir do minério ou de matéria-prima secundária, passando para a solução.
• Condicionamento da solução: O licor de lixiviação é purificado ou ajustado para melhorar a seletividade e o comportamento de deposição.
• Deposição sonoeletroquímica: Os ultrassons e a corrente elétrica atuam simultaneamente na célula de eletroextração.
• Recuperação catódica: Os depósitos metálicos são recolhidos sob a forma de chapas, pó, esponja, folhas finas ou outras formas de depósito, dependendo da conceção do processo.
• Recirculação do eletrólito: O eletrólito empobrecido pode ser regenerado, reciclado ou devolvido ao circuito hidrometalúrgico.

Porque é que a sonicação melhora a eletroextração

O principal estrangulamento em muitos sistemas de eletroextração não é apenas a própria reação elétrica. É o fornecimento de novos iões metálicos à superfície do cátodo, a remoção dos produtos de reação e das bolhas de gás, e a manutenção de uma interface do elétrodo ativa, limpa e homogénea. Os ultrassons atuam diretamente sobre estas limitações.
Quando os ultrassons de alta potência entram no eletrólito, criam cavitação acústica: formam-se bolhas microscópicas, que oscilam e colapsam. Estes colapsos geram microjatos, ondas de choque e um intenso cisalhamento local. No processamento em fase líquida, isto pode produzir mistura localizada, micromistura, dispersão, desaglomeração e transporte interfacial acelerado.
A tecnologia ultrassónica e sonoeletroquímica da Hielscher assenta na cavitação acústica controlada para o processamento de líquidos, em que as ondas ultrassónicas geram campos de cavitação que produzem cisalhamento, ondas de choque, microjatos e uma transferência de energia reprodutível para fluidos, suspensões e lamas.
Na eletroextração, estes efeitos são especialmente valiosos porque a reação eletroquímica ocorre numa superfície. Os ultrassons podem reduzir os gradientes de concentração junto ao elétrodo, comprimir ou romper a camada de difusão e fornecer continuamente novos iões metálicos ao cátodo. Trabalhos recentes sobre o transporte eletroquímico de massa intensificado por ultrassons descrevem o aumento da corrente através da compressão da camada de difusão provocada por correntes acústicas, enquanto a investigação sobre a eletrodeposição assistida por ultrassons refere uma melhoria do transporte de iões através da cavitação, do microfluxo e dos efeitos da pressão acústica.

A sinergia: sonicação e eletroquímica

A vantagem da sono-eletroextração não se limita ao facto de os ultrassons “agitarem” a solução. As Hielscher Sono-Electro-Probes combinam sondas ultrassónicas e elétrodos que introduzem simultaneamente ultrassons de alta intensidade e corrente elétrica num sistema eletroquímico. Neste caso, a chave é o acoplamento sinérgico de dois campos de energia: a energia elétrica impulsiona a reação de redução dos iões metálicos, enquanto a energia acústica melhora as condições físicas e interfaciais em que essa reação ocorre.
Esta sinergia pode criar vários benefícios relevantes para a indústria:

• Maior transferência de massa: A sonicação melhora o fornecimento de iões metálicos dissolvidos à superfície do cátodo, reduzindo o empobrecimento local.
• Superfícies dos elétrodos mais limpas: A cavitação e as correntes acústicas ajudam a remover películas passivantes, partículas pouco aderentes, bolhas de gás e produtos de reação.
• Maior potencial de eficiência de corrente: Uma interface do elétrodo mais ativa pode reduzir as perdas associadas à polarização de concentração e ao bloqueio da superfície, embora a eficiência final dependa da composição química do eletrólito e dos parâmetros de funcionamento.
• Deposição mais uniforme: A eletrodeposição assistida por ultrassons tem sido associada a depósitos mais lisos, mais densos e mais uniformes, bem como a estruturas de grão mais fino.
• Cinética de eletrodeposição mais rápida: Uma melhor transferência de massa e a ativação da superfície podem permitir velocidades de deposição mais elevadas em condições otimizadas.
• Menores limitações de difusão: Ao perturbarem a camada limite no elétrodo, os ultrassons podem favorecer uma deposição mais consistente, mesmo quando as concentrações de metais são relativamente baixas.
• Melhor gestão de eletrólitos complexos: A agitação ultrassónica pode facilitar o processamento de suspensões, partículas finas e licores de lixiviação difíceis de processar, melhorando a dispersão e reduzindo a estagnação localizada.

Isto torna a sono-eletroextração particularmente atrativa para circuitos hidrometalúrgicos em que a eletroextração convencional é limitada por uma cinética lenta, uma morfologia deficiente dos depósitos, polarização de concentração, incrustação dos elétrodos, cobertura por bolhas de gás ou baixa concentração de iões metálicos.

Velocidades de dissolução convencionais versus sonoeletroquímicas de elétrodos de Pt.
Estudo e gráficos: ©Vasile et al., 2021

Benefícios industriais para a extração de metais

Para a extração industrial de metais, o valor da sono-eletroextração reside na intensificação do processo. Potencialmente, pode recuperar-se mais metal num período mais curto, com uma melhor morfologia dos depósitos e um funcionamento mais estável da célula, desde que a potência de sonicação, a geometria dos elétrodos, a composição do eletrólito e a densidade de corrente sejam devidamente ajustadas entre si.

Em termos práticos, a sono-eletroextração favorece:

• Recuperação a partir de licores de lixiviação de baixo teor: Uma melhor transferência de massa pode ajudar a manter a deposição quando as concentrações de metais dissolvidos não são ideais.
• Melhor qualidade do cátodo: Depósitos mais lisos e mais uniformes podem simplificar a remoção do metal depositado no cátodo, a fusão, a refinação ou o manuseamento de pós a jusante.
• Menor tendência para a incrustação: A renovação contínua da superfície pode reduzir o impacto da passivação e de películas superficiais indesejadas.
• Conceção de processo mais compacta: Uma cinética mais rápida pode permitir células mais pequenas ou uma maior capacidade de processamento, dependendo da química do processo.
• Maior recuperação a partir de recursos secundários: A massa negra de baterias, os resíduos eletrónicos, os catalisadores, as escórias e os resíduos industriais geram frequentemente soluções de lixiviação complexas em que a intensificação da transferência de massa é valiosa.
• Melhor capacidade de controlo do processo: Os sistemas ultrassónicos modernos podem ser integrados em configurações por lotes ou contínuas em linha e ajustados através da amplitude, do tempo de residência, do caudal, da temperatura e do aporte de energia.

Os sistemas sonoeletroquímicos Hielscher são únicos: o sonoelétrodo atua simultaneamente como sonda ultrassónica e elétrodo. As configurações sonoeletroquímicas são concebidas para o processamento escalável de líquidos, desde ensaios laboratoriais até à operação piloto e à produção industrial em linha. Os ultrassons de alta potência, a capacidade de funcionamento contínuo 24/7, a robustez de nível industrial e as reduzidas necessidades de manutenção tornam os sistemas sonoeletroquímicos Hielscher ideais para a sono-eletroextração industrial.
O aumento linear de escala através de parâmetros controlados, como a amplitude, o aporte de energia, o caudal, a temperatura e o tempo de residência, facilita significativamente o aumento das capacidades de produção.

Sono-eletroextração na cadeia de lixiviação–eletroextração

Numa instalação hidrometalúrgica convencional, a eletroextração é frequentemente realizada após a lixiviação, a separação sólido-líquido, a purificação e, por vezes, a extração por solventes ou a permuta iónica. A sono-eletroextração pode ser integrada nesta etapa de recuperação a jusante para intensificar a conversão de iões metálicos dissolvidos em metal sólido.

Uma sequência típica de processo pode ser a seguinte:

1. O minério triturado, o concentrado, os rejeitados ou a matéria-prima secundária são lixiviados para dissolver o metal pretendido.
2. A ganga insolúvel, os sólidos residuais e as fases indesejadas são removidos ou reduzidos.
3. A solução de lixiviação rica em metais é ajustada quimicamente para uma eletroextração seletiva.
4. O eletrólito é introduzido numa célula de eletroextração equipada com sonoelétrodos e circulação.
5. A sonicação melhora o transporte de iões e a renovação da superfície do elétrodo, enquanto a corrente aplicada deposita o metal no cátodo.
6. O produto metálico é recolhido e o eletrólito é reciclado ou encaminhado para tratamento adicional.

Esta combinação é especialmente interessante quando a indústria de extração de metais precisa de processar recursos mais exigentes. Muitas matérias-primas futuras contêm teores de metais mais baixos, mais impurezas, partículas mais finas, composições químicas mistas ou uma composição variável. A sono-eletroextração oferece uma via para tornar a etapa de recuperação eletroquímica mais robusta, melhorando a interação entre o eletrólito e a superfície do elétrodo.

Recuperação sonoeletroquímica de metais: rendimentos mais elevados com custos de processo mais baixos

A eletroextração já é um pilar da hidrometalurgia porque permite recuperar metais de soluções aquosas sob a forma de produtos sólidos de elevado valor. A sono-eletroextração melhora a eletroextração convencional ao melhorar a eficiência de recuperação, a eficiência de corrente e o consumo de energia.
Os efeitos sinérgicos dos ultrassons de potência e da eletroextração atuam sobre as limitações físicas da interface eletroquímica e favorecem uma recuperação de metais mais intensiva, controlada e potencialmente mais eficiente. Nas operações mineiras, de reciclagem e metalúrgicas, a tecnologia ajuda a colmatar a distância entre matérias-primas cada vez mais complexas e a necessidade de vias de extração mais limpas, mais seletivas e com maior capacidade de processamento.

Sono-eletroextração como ferramenta de intensificação de processos

O futuro da extração de metais dependerá da recuperação de mais metal a partir de recursos mais difíceis de processar. Os minérios de alto teor estão a diminuir em muitas regiões, enquanto a procura de cobre, níquel, cobalto, metais relacionados com o lítio, metais preciosos e elementos raros está a aumentar. Ao mesmo tempo, a indústria está a alargar o seu foco dos minérios primários para recursos secundários, como baterias usadas, sucata eletrónica, catalisadores, resíduos industriais e águas de processo.
A sono-eletroextração oferece uma estratégia convincente de intensificação de processos neste contexto. Ao combinar a seletividade da recuperação eletroquímica de metais com a potência interfacial da cavitação ultrassónica, pode melhorar a transferência de massa, a atividade dos elétrodos, a morfologia dos depósitos e a robustez do processo. Para os operadores industriais, isto significa uma via mais sólida desde os iões metálicos lixiviados até ao produto metálico recuperável.
Em suma, a sono-eletroextração transforma a superfície do cátodo numa zona de reação mais dinâmica. A sonicação mantém a interface eletroquímica ativa; a eletroquímica converte os iões dissolvidos em metal; e, em conjunto, criam uma plataforma poderosa para a extração hidrometalúrgica moderna.

Sono-Electro-Probes e SonoElectroReactors de elevado desempenho

A Hielscher Ultrasonics é o seu parceiro com longa experiência em sistemas ultrassónicos de elevado desempenho. Fabricamos e distribuímos sondas e reatores ultrassónicos de última geração, utilizados em todo o mundo em aplicações de serviço intensivo em ambientes exigentes. Para a sonoeletroquímica, a Hielscher desenvolveu sondas ultrassónicas especiais, que podem atuar como cátodo e/ou ânodo, bem como células de reator ultrassónico adequadas para reações eletroquímicas. Estão disponíveis elétrodos e células ultrassónicos tanto para sistemas galvânicos / voltaicos como para sistemas eletrolíticos.
 

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Bibliografia / Referências

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