Mineralna karbonacija pojačana ultrazvukom

Karbonizacija minerala je reakcija ugljičnog dioksida sa alkalnim mineralima kao što su kalcijum ili magnezijev oksid. Mineralna karbonizacija se koristi za industrijsku proizvodnju čvrstih čestica u farmaceutskoj industriji, industriji polimera i đubriva, kao i za sekvestraciju ugljičnog dioksida u alkalnim materijalima. Utvrđeno je da je tretman čestica ultrazvukom uspješan način intenziviranja procesa koji rezultira većom konverzijom karbonacije i bržom brzinom reakcije.

Karbonacija minerala: proces i ograničenja

Za karbonizaciju, prirodni i otpadni materijali se gaziraju zbog prisustva alkalnih oksida, hidroksida ili silikata u njihovom sastavu. Proces karbonizacije sastoji se od sljedećih koraka reakcije:

Koraci karbonizacije minerala

Za reakciju karbonizacije, čestice moraju biti dostupne za reagense. To znači da je potrebna visoka površina čestica bez pasivizirajućih slojeva da bi se poboljšao proces karbonizacije.
Formiranje sve debljeg i gušćeg karbonatnog sloja koji okružuje nereagovano jezgro čvrste čestice koje se skuplja stvara tri koraka ograničavanja brzine:

• hidratacija oksida/silikata;
• ispiranje kationa; i
• difuzija u zonu reakcije.

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

Rješenje: ultrazvučna karbonacija

Od strane istraživačke grupe Katholieke Universiteit Leuven u Belgiji, “ultrazvuk se pokazao kao potencijalno koristan alat za intenziviranje procesa karbonizacije minerala. Zbog pojačanog miješanja, lomljenja čestica i uklanjanja pasivizirajućih slojeva kalcijum karbonata bilo je moguće ubrzati kinetiku reakcije i postići veći stepen karbonacije u kraćim vremenima. Štaviše, u kombinaciji sa ionima magnezijuma u rastvoru, ultrazvuk značajno pospešuje sintezu kristala aragonita, kako smanjenjem potrebne koncentracije magnezijuma tako i smanjenjem temperature reakcije na uslove približne ambijentu.”
[Santos et al. 2011, str.114]

Prednosti na prvi pogled:

• distribucija fine veličine čestica ultrazvučnim miješanjem, deaglomeracijom & Glodanje
• ultrazvuk uklanja pasivizirajuće slojeve
• ultrazvuk poboljšava kinetiku reakcije
• ultrazvuk smanjuje bazičnost
• ultrazvučno intenziviranje procesa: veći prinos, brža reakcija

Ultrazvučni efekti na karbonizaciju minerala. [Santos et al. 2013]

tretman ultrazvučnim česticama

Sonikacija je moćan alat za tretiranje muljnih čestica. Intenzivne ultrazvučne sile stvaraju mehaničke vibracije i jaku kavitaciju u tečnostima. Ove velike sile naprezanja mogu razbiti aglomerate, pa čak i primarne čestice, tako da je ultrazvuk velike snage/niske frekvencije pouzdana metoda za Glodanje, Deaglomeracija i Raspršivanje aplikacije.

SEM slike kalcijum oksida na početku (a) i nakon 10 minuta sonikacije (b). [Santos et al. 2012]

Ultrazvučno mlevenje tokom procesa karbonizacije suspenzije stvara male čestice sa velikom površinom. Osim fragmentacije čestica, sonication također uklanja naslage s površine čestica, kao što su karbonatne ljuske ili osiromašeni slojevi matriksa koji okružuju neizreagirano jezgro čestice. Uklanjanjem pasivirajućih slojeva smanjuju se ograničenja difuzije i neizreagirani materijal se izlaže vodenoj fazi. Na taj način, sonikacija može povećati konverziju karbonacije i kinetiku procesa – što rezultira većim prinosima i bržom reakcijom.

Ultrazvučni efekti na čestice [Santos et al. 2011]