Ultrazvukem podpořená minerální karbonatace

Minerální karbonatace je reakce oxidu uhličitého s alkalickými minerály, jako je oxid vápenatý nebo hořečnatý. Minerální karbonatace se využívá k průmyslové výrobě pevných částic ve farmaceutickém, polymerním a hnojivářském průmyslu, jakož i k sekvestraci oxidu uhličitého v alkalických materiálech. Ošetření částic výkonovým ultrazvukem se ukázalo jako úspěšný prostředek intenzifikace procesu, který vede k vyšší konverzi karbonatace a rychlejšímu průběhu reakce.

Minerální karbonatace: proces a omezení

Při karbonataci se karbonatují přírodní a odpadní materiály díky přítomnosti alkalických oxidů, hydroxidů nebo křemičitanů v jejich složení. Proces karbonatace sestává z následujících reakčních kroků:

Pro karbonatační reakci musí být částice dostupné pro reagencie. To znamená, že ke zlepšení procesu karbonatace je zapotřebí velký povrch částic bez pasivačních vrstev.
Vznik stále silnější a hutnější karbonátové vrstvy, která obklopuje zmenšující se nezreagované jádro pevné částice, vytváří tři kroky omezující rychlost:

• hydratace oxidů/ křemičitanů;
• vyluhování kationtů; a
• difuze do reakční zóny.

Ke zlepšení procesu karbonatace je nutné tato omezení překonat pomocí technologie podporující proces. Vysoce výkonný ultrazvuk byl úspěšně použit jako technologie intenzifikace procesu, která zvyšuje rychlost karbonatace a rychlost reakce.

Řešení: ultrazvuková karbonatace

Podle výzkumné skupiny Katholieke Universiteit Leuven v Belgii „se ultrazvuk prokázal jako potenciálně užitečný nástroj pro intenzifikaci procesů minerální karbonatace. Díky intenzivnějšímu míchání, rozbíjení částic a odstraňování pasivačních vrstev uhličitanu vápenatého bylo možné urychlit reakční kinetiku a dosáhnout vyššího stupně karbonatace v kratším čase. Navíc v kombinaci s hořečnatými ionty v roztoku ultrazvuk výrazně podporuje syntézu krystalů aragonitu, a to jak snížením potřebné koncentrace hořčíku, tak snížením reakční teploty na hodnoty blízké okolním podmínkám.“
[Santos et al. 2011, p.114]

Přehled výhod:

• jemná distribuce velikosti částic díky ultrazvukovému míchání, deaglomeraci & mletí
• ultrazvuk odstraňuje pasivační vrstvy
• ultrazvuk zlepšuje reakční kinetiku
• ultrazvuk snižuje bazicitu
• ultrazvuková intenzifikace procesu: vyšší výtěžek, rychlejší reakce

Ultrazvukové ošetření částic

Sonikace je účinný nástroj pro zpracování suspenzí částic. Intenzivní ultrazvukové síly vytvářejí v kapalinách mechanické vibrace a silnou kavitaci. Tyto síly s vysokým namáháním dokážou rozbít aglomeráty, a dokonce i primární částice, takže vysoce výkonný/ nízkofrekvenční ultrazvuk je spolehlivou metodou pro aplikace mletí, deaglomerace a dispergace .

Ultrazvukové mletí během procesu karbonatace suspenzí vytváří malé částice s velkým povrchem. Kromě fragmentace částic sonikace také odstraňuje usazeniny z povrchu částic, jako jsou karbonatované obaly nebo ochuzené vrstvy matrice, které obklopují nezreagované jádro částice. Odstraněním pasivačních vrstev se snižují difuzní omezení a nezreagovaný materiál se vystavuje vodné fázi. Sonikace tak může zvýšit konverzi karbonatace a kinetiku procesu – což vede k vyšším výtěžkům a rychlejší reakci.