Ultralydsforstærket mineralsk karbonatisering

Mineralsk karbonatisering er reaktionen mellem kuldioxid og alkaliske mineraler såsom calciumoxid eller magnesiumoxid. Mineralsk karbonatisering anvendes til industriel fremstilling af faste partikler i lægemiddel-, polymer- og gødningsindustrien samt til binding af kuldioxid i alkaliske materialer. Partikelbehandling med effektultralyd har vist sig at være et effektivt middel til procesintensivering, som resulterer i en højere omsætningsgrad ved karbonatisering og en hurtigere reaktion.

Mineralsk karbonatisering: Proces og begrænsninger

Ved karbonatisering karbonatiseres natur- og affaldsmaterialer på grund af tilstedeværelsen af alkaliske oxider, hydroxider eller silikater i deres sammensætning. Karbonatiseringsprocessen består af følgende reaktionstrin:

For at karbonatiseringsreaktionen kan finde sted, skal partiklerne være tilgængelige for reagenserne. Det betyder, at et stort partikeloverfladeareal uden passiverende lag er nødvendigt for at forbedre karbonatiseringsprocessen.
Dannelsen af et stadig tykkere og tættere karbonatlag omkring den faste partikels skrumpende, ureagerede kerne medfører tre hastighedsbegrænsende trin:

• hydratisering af oxider/ silikater;
• udvaskning af kationer; og
• diffusion til reaktionszonen.

For at forbedre karbonatiseringsprocessen skal disse begrænsninger overvindes ved hjælp af en procesunderstøttende teknologi. Ultralyd med høj effekt er med succes blevet anvendt som en teknologi til procesintensivering, der øger karbonatiseringshastigheden og reaktionshastigheden.

Løsning: Karbonatisering med ultralyd

Forskergruppen ved Katholieke Universiteit Leuven i Belgien har påvist, at “ultralyd er et potentielt nyttigt værktøj til intensivering af mineralske karbonatiseringsprocesser. Takket være forbedret blanding, partikelknusning og fjernelse af passiverende calciumkarbonatlag var det muligt at accelerere reaktionskinetikken og opnå en højere karbonatiseringsgrad på kortere tid. Desuden fremmer ultralyd i kombination med magnesiumioner i opløsning syntesen af aragonitkrystaller betydeligt, både ved at reducere den nødvendige magnesiumkoncentration og ved at sænke reaktionstemperaturen til tæt på omgivelsestemperaturen.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Fordele i overblik:

• fin partikelstørrelsesfordeling ved ultralydsblanding, deagglomerering & formaling
• ultralyd fjerner passiverende lag
• ultralyd forbedrer reaktionskinetikken
• ultralyd reducerer basiciteten
• procesintensivering med ultralyd: højere udbytte, hurtigere reaktion

Partikelbehandling med ultralyd

Sonikering er et effektivt værktøj til behandling af partikelsuspensioner. Intense ultralydskræfter skaber mekaniske vibrationer og kraftig kavitation i væsker. Disse kraftige mekaniske belastninger kan nedbryde agglomerater og endda primærpartikler, så ultralyd med høj effekt/ lav frekvens er en pålidelig metode til anvendelser inden for formaling, deagglomerering og dispergering .

Ultralydsformaling under karbonatiseringsprocessen af suspensioner skaber små partikler med store overfladearealer. Ud over partikelfragmentering fjerner sonikering også aflejringer fra partikeloverfladen, såsom karbonatiserede skaller eller udtømte matrixlag, der omgiver den ureagerede partikelkerne. Ved at fjerne de passiverende lag reduceres diffusionsbegrænsningerne, og ureageret materiale eksponeres for den vandige fase. Derved kan sonikering øge omsætningsgraden ved karbonatisering og accelerere proceskinetikken – hvilket resulterer i højere udbytter og en hurtigere reaktion.