Lixiviação ultrassónica de metais preciosos

Os ultrassons de potência são uma técnica eficaz para extrair metais, como metais preciosos e terras raras. Este processo de extração sólido-líquido assistida por ultrassons é conhecido como sonolixiviação, lixiviação ou lavagem. Os sonicadores industriais robustos podem ser facilmente instalados para lixiviar terras raras de minérios, tratar polpas mineiras para uma recuperação mais completa ou separar metais de elevado valor (por exemplo, Cu, Zn, Ni) de metais de menor valor.

A lixiviação ultrassónica promove a reação através da transferência de massa e da dissolução, permitindo obter rendimentos mais elevados num tempo de extração mais curto.
Os principais benefícios da lixiviação ultrassónica são:

• rendimento mais elevado
• lixiviação mais completa
• consumo reduzido de reagentes
• condições mais suaves
• ensaios de viabilidade simples
• aumento linear de escala
• instalação fácil de sistemas de ultrassons à escala comercial plena
• sonicadores muito robustos para fluxos de grande volume

Lixiviação ultrassónica de metais preciosos: extração mais rápida através da química da cavitação

A recuperação de metais preciosos, como ouro, prata, platina, paládio e ródio, é um pilar da metalurgia e da reciclagem modernas – especialmente no processamento de minérios, concentrados e recursos secundários, como sucata eletrónica e conversores catalíticos. Embora a lixiviação convencional esteja bem estabelecida, é frequentemente limitada pela transferência de massa lenta, pela passivação superficial, pela libertação incompleta de fases valiosas e pelo elevado consumo de reagentes.
A lixiviação ultrassónica resolve muitos destes entraves ao introduzir ultrassons de alta intensidade na polpa de lixiviação, intensificando drasticamente a cinética da reação através de um fenómeno conhecido como cavitação acústica.

O mecanismo central: cavitação acústica

Quando se acoplam ultrassons de alta potência a um líquido, criam-se bolhas microscópicas de cavitação que se formam e colapsam rapidamente. Este colapso gera condições localizadas extremas, incluindo:

• micromistura intensa e forças de cisalhamento
• microjatos de alta velocidade dirigidos às superfícies sólidas
• pontos quentes localizados (temperaturas e pressões muito elevadas durante microssegundos)

Embora estes efeitos ocorram à escala microscópica, influenciam fortemente o processo macroscópico de lixiviação ao renovar continuamente a superfície reativa e acelerar o transporte de reagentes para as partículas sólidas e a partir delas.

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 perto da superfície. Este fenómeno melhora a mistura da solução ácida, melhorando assim as propriedades de transporte.
Imagem e estudo: © Canciani et al., 2024

Porque é que os ultrassons melhoram a lixiviação de metais preciosos

Na maioria dos sistemas de lixiviação, a etapa que limita a velocidade não é a própria reação química, mas sim o transporte dos reagentes através de camadas limite, poros ou películas superficiais passivantes. A cavitação ultrassónica melhora a eficiência da lixiviação através de vários efeitos sinérgicos:

1. Melhoria da transferência de massa
   Os ultrassons reduzem a espessura da camada de difusão estagnada que envolve as partículas sólidas. Isto permite que os agentes lixiviantes (por exemplo, cianeto, tiossulfato, cloreto, iodeto, tioureia ou sistemas ácidos) atinjam mais rapidamente a superfície que contém o metal, enquanto os complexos metálicos dissolvidos são removidos com maior eficiência.
2. Ativação da superfície das partículas
   Os microjatos e as ondas de choque da cavitação erodem, limpam e tornam continuamente mais rugosas as superfícies das partículas. Isto expõe novas fases minerais e aumenta a área reativa efetiva – um efeito especialmente importante em minérios refratários ou partículas revestidas.
3. Rutura das camadas de passivação
   Muitos minerais que contêm metais preciosos formam camadas superficiais durante a lixiviação (por exemplo, óxidos, sulfatos, enxofre elementar ou películas de sílica). Os ultrassons podem romper fisicamente estas barreiras, restabelecendo o acesso do agente lixiviante à fase metálica subjacente.
4. Melhoria da penetração em sólidos porosos
   No caso de concentrados, catalisadores e partículas de resíduos eletrónicos, os ultrassons ajudam a forçar a entrada do líquido nos poros e nas microfissuras, melhorando o acesso dos reagentes aos metais preciosos incorporados.

Distribuições do tamanho das partículas após lixiviação ultrassónica e convencional
Imagem e estudo: © Canciani et al., 2024

Aplicações: dos minérios à mineração urbana

A lixiviação ultrassónica é cada vez mais investigada tanto em recursos primários como secundários:

• Ouro e prata
  Demonstrou-se que os ultrassons de potência aceleram a lixiviação do ouro com cianeto e agentes lixiviantes alternativos, melhorando o transporte e eliminando os efeitos da passivação. São também relevantes para a recuperação de prata a partir de minérios e resíduos industriais.
• Metais do grupo da platina (PGMs)
  A recuperação de platina, paládio e ródio – especialmente a partir de conversores catalíticos usados – recorre frequentemente a sistemas de lixiviação à base de cloretos ou ácidos. Os ultrassons melhoram a cinética de dissolução ao intensificar as reações superficiais e melhorar a desagregação de matrizes complexas de cerâmica/metal.
• Sucata eletrónica
  As placas de circuitos impressos e os componentes eletrónicos contêm metais preciosos valiosos, mas apresentam fortes barreiras à difusão devido aos polímeros, óxidos e estruturas de múltiplos materiais. O tratamento ultrassónico melhora a uniformidade da lixiviação e pode reduzir o tempo de lixiviação necessário.
• Terras raras provenientes de cinzas de carvão
  As cinzas de carvão podem conter metais valiosos e terras raras, frequentemente ligados no interior de fases minerais ou de uma matriz vítrea de aluminossilicato. O tratamento ultrassónico melhora o contacto entre as partículas de cinza e a solução lixiviante, o que pode aumentar a eficiência da extração e encurtar o tempo de lixiviação.
  Saiba mais sobre a lixiviação ultrassónica de terras raras a partir de cinzas!

Principais vantagens do processo

Do ponto de vista da engenharia de processos, a lixiviação ultrassónica oferece vários benefícios mensuráveis:

• tempos de lixiviação mais curtos graças à aceleração da cinética
• rendimentos de extração mais elevados devido à melhoria do acesso à superfície
• menor consumo de reagentes em muitos sistemas (é necessário menos agente lixiviante em excesso)
• melhor reprodutibilidade graças à melhoria da dispersão e da mistura
• temperatura de operação potencialmente mais baixa porque os ultrassons compensam a cinética térmica mais lenta

Considerações sobre o processo e aumento de escala

O sucesso da lixiviação ultrassónica depende fortemente da conceção do processo. Os parâmetros críticos incluem:

• densidade de potência e amplitude dos ultrassons
• concentração da polpa e distribuição do tamanho das partículas
• geometria do reator e condições de escoamento
• controlo da temperatura
• escolha da química de lixiviação (ácida, alcalina, à base de cloretos, etc.)

É importante salientar que a implementação à escala industrial exige reatores ultrassónicos de alta potência do tipo sonda, uma vez que os sonicadores de banho normalmente não fornecem energia suficiente às polpas densas de lixiviação. As células de fluxo ultrassónicas em linha podem ser integradas em circuitos de lixiviação contínua, permitindo uma operação escalável. Os sonicadores de alto desempenho da Hielscher são concebidos para processar grandes volumes em condições exigentes – aumentando os rendimentos dos metais lixiviados e reduzindo simultaneamente o tempo de processamento e o impacto ambiental.

Conceção, fabrico e consultoria – qualidade fabricada na Alemanha

Os sonicadores Hielscher são bem conhecidos pelos seus padrões de qualidade e conceção do mais alto nível. A robustez e a facilidade de utilização permitem a integração sem dificuldades dos nossos sonicadores em instalações industriais. Os sonicadores Hielscher lidam facilmente com condições adversas e ambientes exigentes.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa com certificação ISO e dá especial ênfase a sonicadores de alto desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os sonicadores Hielscher estão em conformidade com os requisitos CE e cumprem os requisitos UL, CSA e RoHs.

Bibliografia / 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.
• I. De La Calle, N. Cabaleiro, M. Costas, F. Pena, S. Gil, I. Lavilla, C. Bendicho (2011):
  Ultrasound-assisted extraction of gold and silver from environmental samples using different extractants followed by electrothermal-atomic absorption spectrometry. Microchemical Journal, Volume 97, Issue 2, 2011. 93-100.