الكربنة المعدنية المعززة بالموجات فوق الصوتية

الكربنة المعدنية هي تفاعل ثاني أكسيد الكربون مع المعادن القلوية مثل أكسيد الكالسيوم أو أكسيد المغنيسيوم. تُستخدم الكربنة المعدنية في الإنتاج الصناعي للجسيمات الصلبة في صناعات الأدوية والبوليمرات والأسمدة، وكذلك في احتجاز ثاني أكسيد الكربون في المواد القلوية. وقد ثبت أن معالجة الجسيمات بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة وسيلة ناجحة لتكثيف العملية، مما يؤدي إلى ارتفاع نسبة التحول في الكربنة وزيادة سرعة التفاعل.

الكربنة المعدنية: العملية والقيود

تُخضع المواد الطبيعية ومواد النفايات للكربنة لوجود أكاسيد أو هيدروكسيدات أو سيليكات قلوية في تركيبها. وتتكون عملية الكربنة من خطوات التفاعل التالية:

لكي يحدث تفاعل الكربنة، يجب أن تكون الجسيمات متاحة للتفاعل مع الكواشف. وهذا يعني أن تحسين عملية الكربنة يتطلب مساحة سطحية كبيرة للجسيمات خالية من طبقات التخميل.
يؤدي تكوّن طبقة كربونات تزداد سماكة وكثافة حول اللب غير المتفاعل والمتقلص للجسيم الصلب إلى ثلاث خطوات تحد من سرعة التفاعل:

• إماهة الأكاسيد/ السيليكات؛
• ترشيح الكاتيونات؛ و
• الانتشار إلى منطقة التفاعل.

لتحسين عملية الكربنة، يجب التغلب على هذه القيود باستخدام تقنية مساعدة للعملية. وقد طُبقت الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بنجاح بوصفها تقنية لتكثيف العملية، مما يعزز معدل الكربنة وسرعة التفاعل.

الحل: الكربنة بالموجات فوق الصوتية

وفقًا للمجموعة البحثية في Katholieke Universiteit Leuven في بلجيكا، “ثبت أن الموجات فوق الصوتية أداة يحتمل أن تكون مفيدة لتكثيف عمليات الكربنة المعدنية. وبفضل تحسين الخلط وتكسير الجسيمات وإزالة طبقات التخميل المكونة من كربونات الكالسيوم، أمكن تسريع حركية التفاعل وتحقيق درجة أكبر من الكربنة في أوقات أقصر. وعلاوة على ذلك، تعزز الموجات فوق الصوتية، بالاقتران مع أيونات المغنيسيوم في المحلول، تخليق بلورات الأراغونيت بدرجة كبيرة، من خلال خفض كل من التركيز المطلوب للمغنيسيوم ودرجة حرارة التفاعل إلى مستوى قريب من الظروف المحيطة.”
[Santos et al. 2011, p.114]

لمحة عن الفوائد:

• توزيع أحجام الجسيمات الدقيقة بواسطة الخلط وتفكيك التكتلات والطحن بالموجات فوق الصوتية
• تزيل الموجات فوق الصوتية طبقات التخميل
• تعزز الموجات فوق الصوتية حركية التفاعل
• تقلل الموجات فوق الصوتية القاعدية
• تكثيف العملية بالموجات فوق الصوتية: مردود أعلى وتفاعل أسرع

معالجة الجسيمات بالموجات فوق الصوتية

المعالجة بالموجات فوق الصوتية أداة قوية لمعالجة معلقات الجسيمات. وتُحدث قوى الموجات فوق الصوتية الشديدة اهتزازًا ميكانيكيًا وتجويفًا قويًا في السوائل. ويمكن لقوى الإجهاد العالية هذه تفتيت التكتلات وحتى الجسيمات الأولية، لذا فإن الموجات فوق الصوتية عالية القدرة/ منخفضة التردد طريقة موثوقة لتنفيذ الطحن, تفكيك التكتلات و التشتيت في التطبيقات.

ينتج الطحن بالموجات فوق الصوتية أثناء عملية كربنة المعلقات جسيمات صغيرة ذات مساحات سطحية كبيرة. وإلى جانب تفتيت الجسيمات، تزيل المعالجة بالموجات فوق الصوتية أيضًا الترسبات من سطح الجسيمات، مثل الأغلفة المكربنة أو طبقات المصفوفة المستنفدة التي تحيط بلب الجسيم غير المتفاعل. وتؤدي إزالة طبقات التخميل إلى تقليل قيود الانتشار وتعريض المادة غير المتفاعلة للطور المائي. وبذلك، يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية أن تزيد نسبة التحول في الكربنة وتعزز حركية العملية – مما يؤدي إلى مردود أعلى وتفاعل أسرع.