Extração de metais por sonoelectro-extração para fins industriais

À medida que a procura global por cobre, níquel, cobalto, zinco, prata, ouro, metais raros e materiais relevantes para baterias continua a aumentar, os produtores de metais estão sob pressão para recuperar mais valor a partir de minérios, concentrados, rejeitos, fluxos reciclados e matérias-primas de baixo teor. Na hidrometalurgia, uma das vias mais consolidadas para a recuperação de metais é a eletroobtenção, também conhecida como 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.

Electroextração por ultrassons para uma melhor recuperação hidrometalúrgica de metais

A sonoeletroextração desenvolve este princípio ao combinar a eletroextração com ultrassons de alta intensidade. O resultado é um processo sonoeletroquímico no qual a cavitação acústica, a microcorrente e a redução eletroquímica atuam em conjunto. Em vez de depender apenas do potencial elétrico e da circulação convencional do eletrólito, a sonoeletroextração introduz uma mistura local intensa diretamente na interface do elétrodo ou nas suas proximidades, onde a deposição do metal ocorre efetivamente. Está amplamente documentado que o ultrassom melhora o transporte de massa, perturba a camada de difusão, limpa as superfícies dos elétrodos, remove bolhas de gás e favorece taxas eletroquímicas mais elevadas.

Sono-eletro-sondas: dois transdutores ultrassónicos agitam o ânodo e o cátodo, respetivamente. Os sono-eletrodos ou sono-eletro-sondas atuam simultaneamente como elétrodos e sondas ultrassónicas, para melhorar a eletroextração.

Do minério ao cátodo: como funciona a sono-eletrodeposição

A eletroextração industrial começa normalmente com a lixiviação. Nesta etapa inicial, o metal alvo é dissolvido a partir de um minério, concentrado, resíduo de processo, escória, massa negra, resíduos eletrónicos ou outra matéria-prima metalúrgica, passando a formar uma solução aquosa. Dependendo do metal e da composição química do minério, o agente de lixiviação pode ser ácido, alcalino, à base de cloreto, à base de sulfato, à base de cianeto, amoniacal, à base de ácido orgânico ou ainda quimicamente adaptado de outra forma para dissolver a fase metálica valiosa.
Após a lixiviação, a solução de lixiviação rica em metais é normalmente clarificada, purificada e ajustada quanto ao pH, condutividade, temperatura, concentração de metais e perfil de impurezas. Na célula de eletroextração, este eletrólito contendo metais flui entre um ânodo e um cátodo. Quando é aplicada uma corrente controlada, os iões metálicos dissolvidos migram e são reduzidos na superfície do cátodo, onde formam um depósito metálico sólido. Na sono-eletroextração, o ultrassom é introduzido neste ambiente eletroquímico, de modo a 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 preciosos são dissolvidos a partir do minério ou de matérias-primas secundárias, 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: O ultrassom e a corrente elétrica atuam simultaneamente na célula de eletroextração.
• Recuperação do cátodo: Os depósitos metálicos são extraídos sob a forma de chapas, pó, esponja, folha metálica ou outras formas, dependendo da conceção do processo.
• Recirculação de eletrólitos: O eletrólito esgotado pode ser regenerado, reciclado ou devolvido ao circuito hidrometalúrgico.

Por que razão a sonicação melhora a eletroextração

O principal obstáculo em muitos sistemas de eletroextração não é apenas a própria reação elétrica. Trata-se do fornecimento de iões metálicos frescos à superfície do cátodo, da remoção dos produtos da reação e das bolhas de gás, bem como da manutenção de uma interface do elétrodo ativa, limpa e homogénea. O ultrassom resolve diretamente estas limitações.
Quando o ultrassom de alta potência penetra no eletrólito, provoca cavitação acústica: formam-se bolhas microscópicas que oscilam e colapsam. Esses colapsos geram microjatos, ondas de choque e um cisalhamento local intenso. No processamento em fase líquida, isto pode produzir mistura localizada, micromistura, dispersão, desaglomeração e transporte interfacial acelerado.
A tecnologia ultrassónica e sono-elétrica da Hielscher baseia-se 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 pastas.
Na eletroextração, estes efeitos são especialmente valiosos porque a reação eletroquímica ocorre numa superfície. O ultrassom pode reduzir os gradientes de concentração junto ao elétrodo, comprimir ou perturbar a camada de difusão e fornecer continuamente novos iões metálicos ao cátodo. Trabalhos recentes sobre o transporte de massa eletroquímico potenciado por ultrassons descrevem o aumento da corrente através da compressão da camada de difusão impulsionada pelo fluxo acústico, enquanto a investigação sobre a eletrodeposição assistida por ultrassons relata uma melhoria no transporte de iões através da cavitação, do microfluxo e dos efeitos da pressão acústica.

A sinergia: sonicação e eletroquímica

A vantagem da extração sonoelétrica não reside apenas no facto de o ultrassom “mexe” A solução. As sondas Hielscher Sono-Electro-Probes combinam sondas ultrassónicas e elétrodos que introduzem simultaneamente ultrassons de alta intensidade e corrente elétrica num sistema eletroquímico. Neste contexto, a chave reside no 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 gerar vários benefícios relevantes do ponto de vista industrial:

• Maior transferência de massa: A sonicação melhora o fornecimento de iões metálicos dissolvidos à superfície do cátodo, reduzindo a depleção local.
• Superfícies dos elétrodos mais limpas: A cavitação e o fluxo acústico ajudam a remover películas de passivação, partículas pouco aderentes, bolhas de gás e produtos de reação.
• Potencial de melhoria da eficiência de corrente: Uma interface de 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 finas.
• Cinética de eletrodeposição mais rápida: A melhoria da transferência de massa e da ativação da superfície pode permitir taxas de deposição mais elevadas em condições otimizadas.
• Limitações da difusão reduzida: Ao perturbar a camada limite ao nível do elétrodo, o ultrassom pode contribuir para uma deposição mais uniforme, mesmo quando as concentrações de metal são relativamente baixas.
• Melhor gestão de eletrólitos complexos: A agitação ultrassónica pode facilitar o processamento de suspensões, partículas finas e licores de lixiviação difíceis, melhorando a dispersão e reduzindo a estagnação localizada.

Isto torna a sonoelectroextração particularmente atraente para circuitos hidrometalúrgicos em que a electroextração convencional é limitada por uma cinética lenta, má morfologia do depósito, polarização de concentração, incrustação dos elétrodos, cobertura por bolhas de gás ou baixa concentração de iões metálicos.

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

Benefícios industriais para a extração de metais

No que diz respeito à extração industrial de metais, o valor da sono-eletroextração reside na intensificação do processo. É possível recuperar potencialmente mais metal num período de tempo mais curto, com uma morfologia do depósito melhorada 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 estejam devidamente ajustadas.

Na prática, a sonoeletrólise permite:

• Recuperação a partir de lixiviados de baixo teor: Uma melhor transferência de massa pode ajudar a manter a deposição quando as concentrações de metal dissolvido não são as ideais.
• Melhoria da qualidade do cátodo: Depósitos mais lisos e uniformes podem simplificar as etapas subsequentes de decapagem, fusão, refinação ou manuseamento de pó.
• Menor tendência para a formação de incrustações: A renovação contínua da superfície pode reduzir o impacto da passivação e das películas indesejadas na superfície.
• Conceção de processos mais compacta: Uma cinética mais rápida pode permitir a utilização de células mais pequenas ou um maior rendimento, dependendo da química do processo.
• Recuperação melhorada a partir de recursos secundários: A massa negra das baterias, os resíduos eletrónicos, os catalisadores, as escórias e os resíduos industriais geram frequentemente soluções de lixiviação complexas, nas quais é importante intensificar a transferência de massa.
• Melhor controlabilidade do processo: Os sistemas ultrassónicos modernos podem ser integrados em configurações em lote ou em linha contínua e ajustados através da amplitude, do tempo de permanência, do caudal, da temperatura e da energia aplicada.

Os sistemas sono-elétricos da Hielscher são únicos: o sono-eletrodo funciona simultaneamente como sonda ultrassónica e como elétrodo. As configurações sono-elétricas foram concebidas para o processamento escalável de líquidos, desde ensaios laboratoriais até à operação piloto e à produção industrial em linha. O ultrassom de alta potência, a capacidade de funcionamento contínuo 24 horas por dia, 7 dias por semana, a robustez de nível industrial e a baixa manutenção tornam os sistemas sono-elétricos da Hielscher ideais para a extração sono-elétrica industrial.
A ampliação linear através de parâmetros controlados, tais como amplitude, energia aplicada, caudal, temperatura e tempo de permanência, facilita significativamente o aumento das capacidades de produção.

Electroextração por ultrassom na cadeia de lixiviação-electroextração

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

Um fluxo de processo típico pode ser o seguinte:

1. O minério triturado, o concentrado, os resíduos ou a matéria-prima secundária são submetidos a lixiviação para dissolver o metal alvo.
2. A ganga insolúvel, os sólidos residuais e as fases indesejadas são removidos ou reduzidos.
3. A solução de lixiviação concentrada é ajustada quimicamente para a extração eletrolítica seletiva.
4. O eletrólito é introduzido numa célula de eletroextração equipada com sono-eletrodos e um sistema de 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 extraído e o eletrólito é reciclado ou enviado para tratamento posterior.

Esta combinação reveste-se de particular interesse nos casos em que a indústria de extração de metais precisa de processar recursos mais complexos. Muitas matérias-primas futuras apresentam teores de metal mais baixos, mais impurezas, partículas mais finas, composições químicas mistas ou 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 sono-eletroquímica de metais: rendimentos mais elevados com custos de processo mais baixos

A eletroextração já é um pilar fundamental da hidrometalurgia, uma vez que permite recuperar metais a partir de soluções aquosas sob a forma de produtos sólidos de elevado valor. A sonoeletroextração melhora a eletroextração convencional, aumentando a eficiência de recuperação, a eficiência de corrente e reduzindo o consumo de energia.
Os efeitos sinérgicos do ultrassom de alta potência e da eletroextração contornam as limitações físicas da interface eletroquímica e permitem uma recuperação de metais mais intensiva, controlada e potencialmente mais eficiente. No que diz respeito às operações mineiras, de reciclagem e metalúrgicas, esta tecnologia contribui para colmatar o fosso entre matérias-primas cada vez mais complexas e a necessidade de vias de extração mais limpas, mais seletivas e com maior rendimento.

A sonoelectroextração como ferramenta de intensificação do processo

O futuro da extração de metais dependerá da recuperação de mais metal a partir de recursos mais difíceis. Os minérios de alta qualidade estão a escassear em muitas regiões, enquanto a procura por 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, tais como baterias usadas, sucata eletrónica, catalisadores, resíduos industriais e águas de processo.
A sonoelectroextração constitui uma estratégia convincente de intensificação do processo neste contexto. Ao combinar a seletividade da recuperação eletroquímica de metais com a potência interfacial da cavitação ultrassónica, permite melhorar a transferência de massa, a atividade dos elétrodos, a morfologia dos depósitos e a robustez do processo. Para os operadores industriais, isto traduz-se numa via mais eficaz para passar dos iões metálicos lixiviados ao produto metálico recuperável.
Em suma, a electroextração sónica 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.

Sondas sonoelétricas de alto desempenho e sonoeletro-reatores

A Hielscher Ultrasonics é o seu parceiro experiente de longa data para sistemas de ultra-sons de alto desempenho. Fabricamos e distribuímos sondas e reactores ultra-sónicos de última geração, que são utilizados em todo o mundo para aplicações pesadas em ambientes exigentes. Para a sonoelectroquímica, a Hielscher desenvolveu sondas ultra-sónicas especiais, que podem atuar como cátodo e/ou ânodo, bem como células de reactores ultra-sónicos adequadas para reacções electroquímicas. Os eléctrodos e células ultra-sónicos estão disponíveis para sistemas galvânicos / voltaicos e electrolíticos.
 

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Literatura / Referências

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• A síntese sono-eletroquímica melhora a eficiência do fabrico de produtos químicos