Ултразвукова карбонизация на минерали

Минералната карбонизация е реакцията на въглероден диоксид с алкални минерали като калций или магнезиев оксид. Минералната карбонизация се използва за промишленото производство на твърди частици във фармацевтичната, полимерната и торовата промишленост, както и за улавяне на въглероден диоксид в алкални материали. Обработката на частиците чрез мощен ултразвук е установено като успешно средство за интензификация на процеса, което води до по-високо преобразуване на карбонизация и по-бърза скорост на реакцията.

Минерална карбонизация: процес и ограничения

За карбонизация естествените и отпадъчните материали се газират поради наличието на алкални оксиди, хидроксиди или силикати в състава им. Процесът на карбонизация се състои от следните стъпки на реакция:

Етапи на минерална карбонизация

За реакцията на карбонизация частиците трябва да са на разположение за реагентите. Това означава, че е необходима висока повърхност на частиците без пасивиращи слоеве, за да се подобри процесът на карбонизация.
Образуването на все по-дебел и плътен карбонатен слой около свиващото се нереагиращо ядро на твърдата частица създава три стъпки за ограничаване на скоростта:

• хидратация на оксиди/силикати;
• извличане на катиони; и
• дифузия в реакционната зона.

За да се подобри процесът на карбонизация, тези ограничения трябва да бъдат преодолени чрез технология, подпомагаща процеса. Ултразвукът с висока мощност се прилага успешно като технология за интензификация на процеса, повишаваща скоростта на карбонизация и скоростта на реакцията.

Решение: Ултразвукова карбонизация

От изследователската група на Katholieke Universiteit Leuven в Белгия, “Доказано е, че ултразвукът е потенциално полезен инструмент за интензификация на процесите на карбонизация на минерали. Благодарение на засиленото смесване, разбиване на частиците и отстраняване на пасивиращите слоеве на калциев карбонат е възможно да се ускори кинетиката на реакцията и да се постигне по-голяма степен на карбонизация за по-кратки срокове. Освен това, в комбинация с магнезиеви йони в разтвор, ултразвукът значително подобрява синтеза на арагонитни кристали, както чрез намаляване на необходимата концентрация на магнезий, така и чрез намаляване на температурата на реакцията до близки до околните условия.”
[Santos et al. 2011, стр.114]

Предимства с един поглед:

• фино разпределение на частиците по размер чрез ултразвуково смесване, деагломерация & Смилане
• Ултразвукът премахва пасивиращите слоеве
• Ултразвукът подобрява кинетиката на реакцията
• Ултразвукът намалява основността
• Ултразвукова интензификация на процеса: по-висок добив, по-бърза реакция

Ултразвукови ефекти върху минералната карбонизация. [Santos et al. 2013]

Ултразвукова обработка с частици

Соникацията е мощен инструмент за лечение на суспензии от частици. Интензивните ултразвукови сили създават механични вибрации и силна кавитация в течности. Тези високи сили на напрежение могат да разрушат агломератите и дори първичните частици, така че високомощният/нискочестотният ултразвук е надежден метод за Смилане, деагломерация и Разпръскване Приложения.

SEM снимки на калциев оксид първоначално (а) и след 10 минути ултразвук (б). [Santos et al. 2012]

Ултразвуковото фрезоване по време на процеса на карбонизация на суспензиите създава малки частици с големи повърхности. Освен фрагменацията на частиците, ултразвукът също премахва отлаганията от повърхността на частиците, като газирани черупки или изчерпани матрични слоеве, които заобикалят ядрото на нереагиралите частици. Чрез премахване на пасивиращите слоеве се намаляват ограниченията на дифузията и нереагиралият материал се излага на водна фаза. По този начин ултразвукът може да увеличи преобразуването на карбонизацията и кинетиката на процеса – което води до по-високи добиви и по-бърза реакция.

Ултразвукови ефекти върху частиците [Santos et al. 2011]