Leșierea cu ultrasunete a metalelor prețioase

Ultrasunetele de putere reprezintă o tehnică eficientă pentru extracția metalelor, precum metalele prețioase și pământurile rare. Acest proces de extracție solid-lichid asistată de ultrasunete este cunoscut sub denumirea de sono-leșiere, lixiviere sau spălare. Ultrasonicatoarele industriale robuste pot fi instalate cu ușurință pentru a leșia pământurile rare din minereuri, pentru a trata suspensiile miniere în vederea unei recuperări mai complete sau pentru a separa metalele de valoare ridicată (de ex. Cu, Zn, Ni) de metalele mai puțin valoroase.

Leșierea cu ultrasunete favorizează reacția prin transfer de masă și dizolvare, astfel încât se obțin randamente mai mari într-un timp de extracție mai scurt.
Principalele avantaje ale leșierii cu ultrasunete sunt:

• randament mai mare
• leșiere mai completă
• consum redus de reactivi
• condiții mai blânde
• teste de fezabilitate simple
• scalare liniară
• instalare ușoară a sistemelor cu ultrasunete la scară complet comercială
• ultrasonicatoare foarte robuste pentru fluxuri de volum mare

Leșierea cu ultrasunete a metalelor prețioase: extracție mai rapidă prin chimia cavitației

Recuperarea metalelor prețioase precum aurul, argintul, platina, paladiul și rodiul reprezintă o piatră de temelie a metalurgiei și reciclării moderne – în special în prelucrarea minereurilor, a concentratelor și a resurselor secundare precum deșeurile electronice și convertizoarele catalitice. Deși leșierea convențională este bine stabilită, aceasta este adesea limitată de transferul lent de masă, pasivarea suprafeței, eliberarea incompletă a fazelor valoroase și consumul ridicat de reactivi.
Leșierea cu ultrasunete rezolvă multe dintre aceste blocaje prin introducerea ultrasunetelor de mare intensitate în suspensia de leșiere, intensificând dramatic cinetica reacțiilor printr-un fenomen cunoscut sub numele de cavitație acustică.

Mecanismul de bază: cavitația acustică

Atunci când ultrasunetele de mare putere sunt cuplate într-un lichid, ele generează bule de cavitație microscopice care se formează și colapsează rapid. Acest colaps generează condiții localizate extreme, printre care:

• micro-amestecare intensă și forțe de forfecare
• microjeturi de mare viteză direcționate asupra suprafețelor solide
• puncte fierbinți localizate (temperaturi și presiuni foarte ridicate timp de microsecunde)

Deși aceste efecte apar la scară microscopică, ele influențează puternic procesul macroscopic de leșiere, prin reînnoirea continuă a suprafeței reactive și accelerarea transportului reactivilor către particulele solide și dinspre acestea.

Leșierea acidă intensificată cu ultrasunete se desfășoară cu o viteză de douăsprezece ori mai mare decât leșierea acidă convențională, datorită acțiunii mecanice benefice a bulelor de cavitație care se sparg în apropierea suprafeței. Acest fenomen îmbunătățește amestecarea soluției acide, sporind astfel proprietățile de transport.
Imagine și studiu: © Canciani et al., 2024

De ce îmbunătățesc ultrasunetele leșierea metalelor prețioase

În majoritatea sistemelor de leșiere, etapa determinantă de viteză nu este reacția chimică în sine, ci transportul reactanților prin straturile limită, pori sau filmele superficiale pasivante. Cavitația ultrasonică îmbunătățește eficiența leșierii prin mai multe efecte sinergice:

1. Transfer de masă îmbunătățit
   Ultrasunetele reduc grosimea stratului de difuzie stagnant din jurul particulelor solide. Acest lucru permite lixivianților (de ex., cianură, tiosulfat, clorură, iodură, tiouree sau sisteme acide) să ajungă mai rapid la suprafața purtătoare de metal, în timp ce complecșii metalici dizolvați sunt îndepărtați mai eficient.
2. Activarea suprafeței particulelor
   Microjeturile de cavitație și undele de șoc erodează, curăță și asperizează continuu suprafețele particulelor. Acest lucru expune faze minerale proaspete și mărește suprafața reactivă efectivă – aspect deosebit de important în cazul minereurilor refractare sau al particulelor acoperite.
3. Distrugerea straturilor de pasivare
   Multe minerale purtătoare de metale prețioase formează straturi superficiale în timpul leșierii (de ex., oxizi, sulfați, sulf elementar sau filme de silice). Ultrasunetele pot distruge fizic aceste bariere, restabilind accesul agentului de leșiere la faza metalică subiacentă.
4. Penetrare îmbunătățită în solidele poroase
   În cazul concentratelor, catalizatorilor și particulelor din deșeuri electronice, ultrasunetele ajută la forțarea lichidului în pori și microfisuri, îmbunătățind accesul reactivilor la metalele prețioase încorporate.

Distribuțiile dimensiunilor particulelor după leșierea cu ultrasunete și după leșierea convențională
Imagine și studiu: © Canciani et al., 2024

Aplicații: de la minereuri la mineritul urban

Leșierea cu ultrasunete este investigată tot mai intens atât pentru resursele primare, cât și pentru cele secundare:

• Aur și argint
  S-a demonstrat că ultrasunetele de putere accelerează leșierea aurului în cianură și în lixivianți alternativi, prin îmbunătățirea transportului și eliminarea efectelor de pasivare. Acestea sunt relevante și pentru recuperarea argintului din minereuri și reziduuri industriale.
• Metalele din grupa platinei (PGM)
  Recuperarea platinei, paladiului și rodiului – în special din convertizoarele catalitice uzate – se bazează adesea pe sisteme de leșiere pe bază de clorură sau acide. Ultrasunetele intensifică cinetica dizolvării prin intensificarea reacțiilor de suprafață și îmbunătățirea descompunerii matricelor complexe ceramică/metal.
• Deșeuri electronice
  Plăcile de circuite imprimate și componentele electronice conțin metale prețioase valoroase, dar prezintă bariere puternice de difuzie din cauza polimerilor, oxizilor și structurilor multimateriale. Tratamentul cu ultrasunete îmbunătățește uniformitatea leșierii și poate reduce timpul de leșiere necesar.
• Pământuri rare din cenușile de cărbune
  Cenușa de cărbune poate conține metale valoroase și pământuri rare, adesea legate în faze minerale sau într-o matrice aluminosilicatică sticloasă. Tratamentul cu ultrasunete îmbunătățește contactul dintre particulele de cenușă și soluția de leșiere, ceea ce poate spori eficiența extracției și scurta timpul de leșiere.
  Citiți mai multe despre leșierea cu ultrasunete a pământurilor rare din cenuși!

Principalele avantaje ale procesului

Din perspectiva ingineriei proceselor, leșierea cu ultrasunete oferă mai multe beneficii măsurabile:

• timpi de leșiere mai scurți datorită cineticii accelerate
• randamente de extracție mai mari datorită accesului îmbunătățit la suprafață
• consum mai mic de reactivi în multe sisteme (este necesar un exces mai mic de lixiviant)
• reproductibilitate îmbunătățită datorită unei dispersii și amestecări mai bune
• temperatură de operare potențial mai scăzută, deoarece ultrasunetele compensează cinetica termică mai lentă

Considerații privind procesul și scalarea

Succesul leșierii cu ultrasunete depinde în mare măsură de proiectarea procesului. Parametrii critici includ:

• densitatea de putere și amplitudinea ultrasunetelor
• concentrația suspensiei și distribuția dimensiunilor particulelor
• geometria reactorului și condițiile de curgere
• controlul temperaturii
• alegerea chimiei de leșiere (acidă, alcalină, pe bază de clorură etc.)

Este important de subliniat că implementarea la scară industrială necesită reactoare ultrasonice de mare putere de tip sondă, deoarece sonicatoarele de tip baie nu furnizează de regulă suficientă energie în suspensiile dense de leșiere. Celulele de flux ultrasonice inline pot fi integrate în circuitele de leșiere continuă, permițând o operare scalabilă. Sonicatoarele de înaltă performanță Hielscher sunt construite pentru procesarea unor volume mari în condiții solicitante – crescând randamentele metalelor leșiate, reducând totodată timpul de procesare și impactul asupra mediului.

Proiectare, fabricație și consultanță – calitate Made in Germany

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt bine cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și operarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicatoarelor noastre în instalațiile industriale. Condițiile dificile și mediile solicitante sunt gestionate cu ușurință de ultrasonicatoarele Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicatoare de înaltă performanță, dotate cu tehnologie de ultimă generație și ușor de utilizat. Desigur, ultrasonicatoarele Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Literatură / Referințe

• 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.