Ultrazvukem zesílené minerální sycení oxidem uhličitým

Minerální karbonatace je reakce oxidu uhličitého s alkalickými minerály, jako je oxid vápenatý nebo hořečnatý. Minerální karbonatace se používá pro průmyslovou výrobu pevných částic ve farmaceutickém, polymerním a hnojivářském průmyslu a také pro sekvestraci oxidu uhličitého v alkalických materiálech. Zpracování částic výkonovým ultrazvukem bylo zjištěno, že je úspěšným prostředkem intenzifikace procesu, což vede k vyšší konverzi sycení oxidem uhličitým a rychlejší reakční rychlosti.

Minerální karbonatace: Proces a omezení

Pro sycení oxidem uhličitým jsou přírodní a odpadní materiály sycené oxidem uhličitým kvůli přítomnosti alkalických oxidů, hydroxidů nebo křemičitanů v jejich složení. Proces sycení oxidem uhličitým se skládá z následujících reakčních kroků:

Kroky sycení minerálních látek oxidem uhličitým

Pro karbonatační reakci musí být částice k dispozici pro činidla. To znamená, že pro zlepšení procesu karbonatace je vyžadován povrch s vysokým obsahem částic bez pasivačních vrstev.
Tvorba stále silnější a hustší uhličitanové vrstvy obklopující smršťující se nezreagované jádro pevné částice vytváří tři kroky omezující rychlost:

• hydratace oxidů / silikátů;
• vyluhování kationtů; a
• difúze do reakční zóny.

Aby se zlepšil proces sycení oxidem uhličitým, musí být tato omezení překonána technologií podporující proces. Vysoce výkonný ultrazvuk byl úspěšně použit jako technologie intenzifikace procesu, která zvyšuje rychlost sycení oxidem uhličitým a rychlost reakce.

Řešení: Ultrazvukové sycení oxidem uhličitým

Výzkumná skupina Katholieke Universiteit Leuven v Belgii, “Ultrazvuk se ukázal jako potenciálně užitečný nástroj pro zintenzivnění procesů karbonatace minerálů. Díky lepšímu míchání, rozbíjení částic a odstraňování pasivačních vrstev uhličitanu vápenatého bylo možné urychlit reakční kinetiku a dosáhnout většího rozsahu karbonatace v kratších časech. Navíc v kombinaci s ionty hořčíku v roztoku ultrazvuk významně zvyšuje syntézu krystalů aragonitu, a to jak snížením požadované koncentrace hořčíku, tak snížením reakční teploty na podmínky blízké okolnímu prostředí.”
[Santos et al. 2011, str.114]

Stručný přehled výhod:

• jemná distribuce velikosti částic ultrazvukovým mícháním, deaglomerace & drcení
• ultrazvuk odstraňuje pasivační vrstvy
• Ultrazvuk zlepšuje reakční kinetiku
• Ultrazvuk snižuje zásaditost
• Intenzifikace ultrazvukového procesu: vyšší výtěžek, rychlejší reakce

Ultrazvukové účinky na sycení minerálních látek. [Santos et al. 2013]

Ultrazvukové ošetření částicemi

Sonikace je silný nástroj k léčbě částicových suspenzí. Intenzivní ultrazvukové síly vytvářejí mechanické vibrace a silnou kavitaci v kapalinách. Tyto vysoké napěťové síly mohou rozbít aglomeráty a dokonce i primární částice, takže ultrazvuk s vysokým výkonem / nízkou frekvencí je spolehlivou metodou pro drcení, deaglomerace a Dispergující aplikace.

SEM obrázky oxidu vápenatého zpočátku (a) a po 10 minutách sonikace (b). [Santos et al. 2012]

Ultrazvukové mletí během procesu karbonatace suspenzí vytváří malé částice s velkými povrchovými plochami. Kromě fragmenace částic sonikace také odstraňuje usazeniny z povrchu částic, jako jsou karbonátové skořápky nebo vyčerpané vrstvy matrice, které obklopují nezreagované jádro částic. Odstraněním pasivačních vrstev se sníží difúzní omezení a nezreagovaný materiál je vystaven vodné fázi. Tímto způsobem může sonikace zvýšit konverzi sycení oxidem uhličitým a kinetiku procesu - což má za následek vyšší výnosy a rychlejší reakci.

Ultrazvukové účinky na částice [Santos et al. 2011]