A lixiviação ultra-sônica transforma a reciclagem de baterias e a mineração urbana
As baterias usadas e os resíduos electrónicos estão repletos de materiais valiosos como o lítio, o níquel, o manganês e o cobalto, essenciais para a crescente procura nos sectores das energias renováveis e dos veículos eléctricos. A mineração urbana - o processo de recuperação destes metais de baterias descartadas e outros resíduos electrónicos - é uma via promissora para uma economia circular, reduzindo a necessidade de mineração virgem e minimizando os resíduos. Uma técnica fundamental neste campo é a sonicação, que tem demonstrado enormes benefícios no aumento das taxas de recuperação de metais, na redução dos tempos de processamento e na melhoria da sustentabilidade.
O Poder da Sonicação na Reciclagem de Baterias e na Mineração Urbana: Um divisor de águas para a recuperação sustentável de recursos
Um estudo recente de Canciani et al. (2024) explora os efeitos da cavitação ultra-sónica - pequenas ondas de choque criadas por ondas de ultra-sons de alta intensidade - no processo de lixiviação para a reciclagem de pilhas. A sua investigação mostra que a sonicação não é apenas uma melhoria modesta da reciclagem tradicional; altera fundamentalmente a forma como o processo de reciclagem interage com o material da bateria, tornando-o mais rápido, mais eficiente e menos dependente de produtos químicos agressivos.
Leia mais sobre os resultados do estudo abaixo!
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
O Sonicator UIP16000hdT processa de forma fiável grandes quantidades de lamas de resíduos contendo metais, facilitando a lixiviação de metais preciosos e minérios.
Como funciona a sonicação na reciclagem de pilhas
Na reciclagem típica de pilhas, os materiais do cátodo (que contêm metais valiosos) são dissolvidos numa solução ácida, um processo chamado “lixiviação.” Esta abordagem permite a separação e a recuperação de metais da estrutura sólida da bateria. No entanto, a lixiviação convencional é morosa, demorando muitas vezes horas a obter uma recuperação significativa do metal. Além disso, requer ácidos fortes e temperaturas elevadas, o que suscita preocupações quanto ao impacto ambiental.
A sonicação transforma este processo através da adição de ondas ultra-sónicas diretamente na solução de lixiviação. No estudo publicado em 2024 por Canciani et al., os investigadores testaram esta técnica com um material de bateria substituto, o óxido de lítio-cobalto-níquel-manganês (NMC). Ao aplicar ondas ultra-sônicas em uma freqüência e amplitude específicas, eles descobriram que a cavitação ultra-sônica reduz o tempo de lixiviação em mais de 80%. O processo passou de horas para uma questão de minutos, oferecendo uma melhoria revolucionária em termos de eficiência.
O papel da sonicação na lixiviação melhorada: a ciência por detrás da transferência de massa e da velocidade
A sonicação não se limita a acelerar a lixiviação; altera a forma como a solução ácida interage com as partículas da pilha. Os ultra-sons de alta potência criam milhões de bolhas microscópicas que colapsam rapidamente na solução, um fenómeno conhecido como cavitação. Esta ação gera forças locais intensas que quebram as partículas da superfície e aumentam a interação entre o ácido e os metais no interior do material da bateria.
De acordo com Canciani et al. (2024), este processo tem dois efeitos principais nos materiais da bateria: aumenta a porosidade das partículas e reduz o seu tamanho, levando a um aumento dramático da área de superfície. Com uma área de superfície maior, o ácido pode interagir mais extensivamente com o material, facilitando assim uma lixiviação mais rápida. Os autores observaram que o volume dos poros nas amostras sonicadas aumentou numa ordem de grandeza em comparação com as amostras processadas convencionalmente, criando mais vias para o ácido dissolver o conteúdo metálico.
Imagens SEM de partículas em diferentes momentos da lixiviação convencional (a-c) e ultra-sónica (d-f).
Imagem e estudo: © Canciani et al., 2024
Sonicadores para lixiviação em reciclagem de baterias e mineração urbana.
Lixiviação ultra-sónica: propriedades de transporte melhoradas e micro-mistura
O estudo também sugere que a cavitação ultra-sónica não só melhora o contacto com a superfície, como também melhora significativamente as propriedades de transporte. Essencialmente, isto significa que a distribuição do ácido pelas partículas da bateria se torna mais uniforme, com a micro-mistura induzida pela cavitação a garantir uma exposição uniforme. Isto conduz a um ambiente de reação homogeneizado, permitindo que o ácido dissolva os metais de forma mais eficaz e uniforme.
Outra descoberta notável é que os benefícios da cavitação ultra-sónica vão além da redução do tamanho das partículas. Os investigadores descobriram que a cavitação altera o mecanismo de interação entre o ácido e as partículas, provavelmente devido a um melhor transporte da camada limite. Em termos simples, a cavitação reduz a espessura da camada líquida que envolve cada partícula, permitindo uma dissolução mais rápida do metal.
Distribuições granulométricas após lixiviação ultra-sónica e convencional
Imagem e estudo: © Canciani et al., 2024
Benefícios para a mineração urbana e a sustentabilidade
A eficácia da sonicação na reciclagem de pilhas tem um enorme potencial para o futuro da exploração mineira urbana e da recuperação sustentável de recursos. As descobertas de Canciani et al. (2024) indicam que a sonicação substituirá ou reduzirá a dependência de práticas prejudiciais ao meio ambiente por:
- Reduzir a utilização de produtos químicos: A lixiviação por ultra-sons permite a utilização de solventes mais ecológicos, como o ácido acético, em vez dos ácidos mais agressivos normalmente necessários para a lixiviação convencional.
- Reduzir as necessidades energéticas: Com a sonicação, a lixiviação ocorre rapidamente à temperatura ambiente, em vez de exigir um aquecimento prolongado, o que reduz o consumo de energia e as emissões.
- Aumentar a recuperação de materiais: A interação superficial melhorada e a porosidade reforçada maximizam as taxas de recuperação de metais valiosos, tornando o processo de reciclagem economicamente viável e amigo do ambiente.
Impacto mais alargado na indústria das pilhas
À medida que os veículos eléctricos e as tecnologias de energias renováveis se expandem, a procura de baterias e, por extensão, dos metais que as compõem, está a aumentar. A mineração urbana com reciclagem melhorada por sonicação oferece um meio de recuperar esses metais de forma sustentável, reduzindo a carga ambiental na mineração e oferecendo uma abordagem de ciclo fechado para a produção e eliminação de baterias.
O aumento dos métodos de reciclagem baseados na sonicação, a otimização das combinações de solventes e o aperfeiçoamento da aplicação de ondas ultra-sónicas aumentarão ainda mais a eficiência. A Hielscher Ultrasonics terá todo o prazer em recomendar a configuração ideal do sonicador em linha para o seu processo de lixiviação. Contacte-nos agora!
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O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:
| Volume do lote | caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1 a 20L | 0.2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdt |
| 15 a 150L | 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
| n.d. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | maior | grupo de UIP16000 |
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Literatura / Referências
- 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.
- Wang, J.; Faraji, F.; Ghahreman, A. (2020): Effect of Ultrasound on the Oxidative Copper Leaching from Chalcopyrite in Acidic Ferric Sulfate Media. Minerals 2020, 10, 633.
- J.L Luque-Garcı́a, M.D Luque de Castro (2003): Ultrasound: a powerful tool for leaching. TrAC Trends in Analytical Chemistry, Volume 22, Issue 1, 2003. 41-47.
perguntas frequentes
O que é o processo de lixiviação?
O processo de lixiviação é um método utilizado para extrair metais valiosos de materiais sólidos, dissolvendo-os num solvente líquido, normalmente uma solução ácida. Esta técnica decompõe a matriz sólida, permitindo que os iões metálicos entrem na solução, a partir da qual podem ser purificados e recuperados. A lixiviação é amplamente aplicada na indústria mineira e na reciclagem para recuperar metais de minérios e resíduos.
Qual é a diferença entre extração e lixiviação?
A extração e a lixiviação referem-se ambas a processos utilizados para separar substâncias valiosas de um material sólido, mas diferem em termos de métodos e contextos. A extração refere-se geralmente a uma gama mais vasta de técnicas utilizadas para remover uma substância específica, utilizando frequentemente solventes para a separar de outros componentes, e pode envolver vários métodos físicos, químicos ou térmicos. A lixiviação, por outro lado, é um tipo específico de extração que envolve a dissolução de metais ou outros solutos de um sólido para um líquido, normalmente através da utilização de uma solução ácida ou alcalina. A lixiviação é normalmente utilizada nos processos de extração mineira, metalurgia e reciclagem. Embora a extração se possa aplicar a uma variedade de substâncias, a lixiviação envolve especificamente a remoção selectiva de substâncias dissolvidas de sólidos utilizando solventes líquidos.
Quais são as substâncias típicas utilizadas na lixiviação?
As substâncias típicas utilizadas na lixiviação incluem **ácidos**, **alcalinos** e **solventes**, dependendo do material a ser processado. Os agentes lixiviantes normalmente utilizados incluem:
- Ácidos:
- Ácido sulfúrico: Frequentemente utilizado na extração de cobre, níquel e urânio.
- Ácido clorídrico: Utilizado na lixiviação de metais como o cobre e o ouro.
- Ácido nítrico: Normalmente utilizado na lixiviação de metais preciosos, especialmente ouro e prata.
- Ácido acético: Por vezes utilizado em processos de lixiviação ecológicos ou de base orgânica.
- Alcalinos:
Hidróxido de sódio (soda cáustica): Utilizado na extração de alumina do minério de bauxite ou na lixiviação de certos metais como o ouro e o zinco. - Solventes:
- Cianeto: Utilizado habitualmente na extração de ouro e prata para lixiviar o ouro do minério (cianetação).
- Amoníaco: Utilizado na lixiviação do cobre e de outros metais de base.
Estas substâncias ajudam a dissolver metais ou minerais específicos de minérios, materiais residuais ou outros sólidos, facilitando a recuperação de materiais valiosos.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultra-sónicos de alto desempenho a partir de laboratório para dimensão industrial.