Mineralna karbonatizacija potpomognuta ultrazvukom

Mineralna karbonatizacija je reakcija ugljik-dioksida s alkalnim mineralima kao što su kalcijum-oksid ili magnezijum-oksid. Mineralna karbonatizacija se koristi za industrijsku proizvodnju čvrstih čestica u farmaceutskoj industriji, industriji polimera i industriji đubriva, kao i za sekvestraciju ugljik-dioksida u alkalnim materijalima. Obrada čestica snažnim ultrazvukom pokazala se uspješnim sredstvom intenzifikacije procesa, što rezultira višim stepenom konverzije pri karbonatizaciji i bržom reakcijom.

Mineralna karbonatizacija: proces i ograničenja

Za karbonatizaciju se prirodni i otpadni materijali karbonatiziraju zbog prisustva alkalnih oksida, hidroksida ili silikata u njihovom sastavu. Proces karbonatizacije sastoji se od sljedećih reakcijskih koraka:

Karbonatizacija minerala obuhvata 5 koraka: solvatacija - reakcija - hidratacija - ionizacija - precipitacija

Koraci mineralne karbonatizacije

Za reakciju karbonatizacije čestice moraju biti dostupne reagensima. To znači da je za poboljšanje procesa karbonatizacije potrebna velika površina čestica bez pasivizirajućih slojeva.
Formiranje sve debljeg i gušćeg sloja karbonata koji okružuje sve manju neizreagiranu jezgru čvrste čestice stvara tri koraka koji ograničavaju brzinu reakcije:

hidratacija oksida/ silikata;
ispiranje kationa; i
difuzija do reakcione zone.

Da bi se poboljšao proces karbonatizacije, ova ograničenja treba prevladati tehnologijom koja pomaže procesu. Ultrazvuk velike snage uspješno se primjenjuje kao tehnologija intenzifikacije procesa koja povećava brzinu karbonatizacije i brzinu reakcije.

Rješenje: ultrazvučna karbonatizacija

Istraživačka grupa Katholieke Universiteit Leuven u Belgiji navodi: „Dokazano je da ultrazvuk može biti potencijalno koristan alat za intenzifikaciju procesa mineralne karbonatizacije. Zahvaljujući poboljšanom miješanju, lomljenju čestica i uklanjanju pasivizirajućih slojeva kalcijum-karbonata, bilo je moguće ubrzati kinetiku reakcije i postići veći stepen karbonatizacije u kraćem vremenu. Štaviše, u kombinaciji s ionima magnezija u rastvoru, ultrazvuk značajno poboljšava sintezu kristala aragonita, i smanjenjem potrebne koncentracije magnezija i snižavanjem temperature reakcije na uslove blizu ambijentalnih.“
[Santos et al. 2011, p.114]

Prednosti ukratko:

fina raspodjela veličine čestica ultrazvučnim miješanjem, deaglomeracijom & mljevenjem
ultrazvuk uklanja pasivizirajuće slojeve
ultrazvuk poboljšava kinetiku reakcije
ultrazvuk smanjuje bazičnost
ultrazvučna intenzifikacija procesa: veći prinos, brža reakcija

Santos et al. 2013 - mineralna karbonatizacija intenzivirana ultrazvukom

Ultrazvučni efekti na mineralnu karbonatizaciju. [Santos et al. 2013]

Ultrazvučna obrada čestica

Ultrazvučna obrada (sonikacija) je snažan alat za obradu suspenzija čestica. Intenzivne ultrazvučne sile stvaraju mehaničke vibracije i snažnu kavitaciju u tekućinama. Ove sile visokog naprezanja mogu razbiti aglomerate pa čak i primarne čestice, tako da je ultrazvuk velike snage/ niske frekvencije pouzdana metoda za mljevenje, deaglomeraciju i dispergiranje u primjenama.

Santos et al. 2012 Sinteza čistog aragonita sonohemijskom mineralnom karbonatizacijom

SEM snimci kalcijum-oksida na početku (a) i nakon 10 minuta ultrazvučne obrade (b). [Santos et al. 2012]

Ultrazvučno mljevenje tokom procesa karbonatizacije suspenzija stvara male čestice s velikim površinama. Osim fragmentacije čestica, ultrazvučna obrada (sonikacija) uklanja i naslage s površine čestica, kao što su karbonatizirane ljuske ili osiromašeni slojevi matrice koji okružuju neizreagiranu jezgru čestice. Uklanjanjem pasivizirajućih slojeva smanjuju se ograničenja difuzije, a neizreagirani materijal izlaže se vodenoj fazi. Time ultrazvučna obrada (sonikacija) može povećati konverziju pri karbonatizaciji i kinetiku procesa – što rezultira većim prinosima i bržom reakcijom.

Santos et al. 2011 Putevi intenzifikacije mineralne karbonatizacije

Ultrazvučni efekti na čestice [Santos et al. 2011]

Literatura/reference

Santos, Rafael M.; Francois, Davy; Mertens, Gilles; Elsen, Jan; Van Gerven, Tom (2013): Ultrasound-intensified mineral carbonation. Applied Thermal Engineering Vol. 57, Issues 1–2, 2013. 154–163.
Santos, Rafael M.; Ceulemans, Pieter; Van Gerven, Tom (2012): Synthesis of pure aragonite by sonochemical mineral carbonation. Chemical Engineering Research & Design, 90/ 6, 2012. 715-725.
Santos, Rafael M.; Ceulemans, Pieter; Francois, Davy; Van Gerven, Tom (2011): Ultrasound-Enhanced Mineral Carbonation. IChemE 2011.

Povezane teme

Sirovine za karbonatizaciju

Sirovine za karbonatizaciju mogu biti ili neprerađeni ili otpadni materijali. Tipične neprerađene sirovine koje se koriste za materijale za sekvestraciju ugljika uključuju minerale kao što su olivin (Mg, Fe)₂SiO₄, serpentin (Mg, Fe)3Si₂O₅(OH)₄ i volastonit CaSiO₃.
Otpadni materijali uključuju čeličnu trosku, crveni gips, otpadni pepeo, otpad iz papirnih mlinova, prašinu iz cementnih peći i rudarski otpad. Ovi industrijski nusproizvodi i otpad mogu se koristiti za karbonatizaciju zbog prisustva alkalnih oksida, hidroksida ili silikata u njihovom sastavu.