Минерална карбонатизация, усилена чрез ултразвук

Минералната карбонатизация е реакцията на въглероден диоксид с алкални минерали като калциев или магнезиев оксид. Минералната карбонатизация се използва за промишленото производство на твърди частици във фармацевтичната, полимерната и торовата промишленост, както и за улавяне и трайно свързване на въглероден диоксид в алкални материали. Установено е, че обработката на частици с мощен ултразвук е успешно средство за интензификация на процеса, което води до по-висока степен на превръщане при карбонатизацията и по-висока скорост на реакцията.

Минерална карбонатизация: процес и ограничения

При карбонатизацията природни и отпадъчни материали се карбонатизират благодарение на наличието на алкални оксиди, хидроксиди или силикати в състава им. Процесът на карбонатизация се състои от следните реакционни етапи:

За реакцията на карбонатизация частиците трябва да бъдат достъпни за реагентите. Това означава, че за подобряване на процеса на карбонатизация е необходима голяма повърхност на частиците без пасивиращи слоеве.
Образуването на все по-дебел и плътен карбонатен слой около свиващото се непрореагирало ядро на твърдата частица създава три етапа, които ограничават скоростта:

• хидратация на оксиди/ силикати;
• излужване на катиони; и
• дифузия към реакционната зона.

За да се подобри процесът на карбонатизация, тези ограничения трябва да бъдат преодолени чрез технология, подпомагаща процеса. Мощният ултразвук се прилага успешно като технология за интензификация на процеса, която повишава скоростта на карбонатизация и скоростта на реакцията.

Решение: ултразвукова карбонатизация

Според изследователската група на Katholieke Universiteit Leuven в Белгия „доказано е, че ултразвукът е потенциално полезно средство за интензификация на процесите на минерална карбонатизация. Благодарение на подобреното смесване, раздробяването на частиците и отстраняването на пасивиращите слоеве от калциев карбонат беше възможно да се ускори кинетиката на реакцията и да се постигне по-висока степен на карбонатизация за по-кратко време. Освен това, в комбинация с магнезиеви йони в разтвора, ултразвукът значително подобрява синтеза на арагонитни кристали както чрез намаляване на необходимата концентрация на магнезий, така и чрез понижаване на реакционната температура до стойности, близки до температурата на околната среда.“
[Santos et al. 2011, p.114]

Предимствата накратко:

• разпределение по размер на фини частици чрез ултразвуково смесване, деагломерация и смилане
• ултразвукът отстранява пасивиращите слоеве
• ултразвукът ускорява кинетиката на реакцията
• ултразвукът намалява основността
• ултразвукова интензификация на процеса: по-висок добив, по-бърза реакция

Ултразвукова обработка на частици

Ултразвуковата обработка е мощно средство за обработване на суспензии от частици. Интензивните ултразвукови сили създават механични вибрации и силна кавитация в течностите. Тези сили, пораждащи високи механични напрежения, могат да разрушават агломерати и дори първични частици, така че мощният/ нискочестотният ултразвук е надежден метод за приложения, включващи смилане, деагломерация и диспергиране на частици.

Ултразвуковото смилане по време на процеса на карбонатизация на суспензии създава малки частици с голяма повърхност. Освен че раздробява частиците, ултразвуковата обработка отстранява и отлаганията от повърхността им, като например карбонатизирани обвивки или изчерпани матрични слоеве, които обграждат непрореагиралото ядро на частицата. Чрез отстраняване на пасивиращите слоеве се намаляват дифузионните ограничения и непрореагиралият материал се излага на контакт с водната фаза. По този начин ултразвуковата обработка може да повиши степента на превръщане при карбонатизацията и да ускори кинетиката на процеса – което води до по-високи добиви и по-бърза реакция.