Ultralydsforstærket mineralsk kulsyre

Mineralsk kulsyre er reaktionen af kuldioxid med alkaliske mineraler såsom calcium eller magnesiumoxid. Mineralsk kulsyre anvendes til industriel produktion af faste partikler i medicinal-, polymer- og gødningsindustrien samt til kuldioxidbinding i alkaliske materialer. Partikelbehandling ved hjælp af ultralyd har vist sig at være et vellykket middel til procesintensivering, hvilket resulterer i højere karbonatdannelse og hurtigere reaktionshastighed.

Mineralsk kulsyre: Proces og begrænsninger

Til kulsyre er naturlige materialer og affaldsmaterialer kulsyreholdige på grund af tilstedeværelsen af alkaliske oxider, hydroxider eller silikater i deres sammensætning. Kulsyreprocessen består af følgende reaktionstrin:

Trin af mineralsk kulsyre

Til kulsyrereaktionen skal partiklerne være tilgængelige for reagenserne. Det betyder, at der kræves en overflade med høje partikler uden passiverende lag for at forbedre karboneringsprocessen.
Dannelsen af et stadig tykkere og tættere karbonatlag omkring den skrumpende ureagerede kerne af den faste partikel skaber tre hastighedsbegrænsende trin:

• hydrering af oxider/silikater;
• udvaskning af kationer; og
• diffusion til reaktionszone.

For at forbedre kulsyreprocessen skal disse begrænsninger overvindes ved hjælp af en procesassisterende teknologi. Ultralyd med høj effekt er med succes blevet anvendt som en procesintensiveringsteknologi, der forbedrer kulsyrehastigheden og reaktionshastigheden.

Løsning: Ultralyd kulsyre

Af forskningsgruppen ved Katholieke Universiteit Leuven i Belgien, “Ultralyd har vist sig at være et potentielt nyttigt værktøj til intensivering af mineralske karboneringsprocesser. På grund af forbedret blanding, partikelbrud og fjernelse af calciumcarbonatpassiverende lag var det muligt at accelerere reaktionskinetik og opnå større karbonatudbredelse på kortere tid. Desuden forbedrer ultralyd i kombination med magnesiumioner i opløsning syntesen af aragonitkrystaller betydeligt, både ved at reducere den krævede koncentration af magnesium og reducere reaktionstemperaturen til nære omgivelsesforhold.”
[Santos et al. 2011, s.114]

Oversigt over fordele:

• Fordeling af fine partikelstørrelser ved ultralydsblanding, deagglomerering & Fræsning
• Ultralyd fjerner passiverende lag
• Ultralyd forbedrer reaktionskinetik
• Ultralyd reducerer grundlægning
• Ultralydsprocesintensivering: højere udbytte, hurtigere reaktion

Ultralydseffekter på mineralkulsyre. [Santos et al. 2013]

ultralyd partikelbehandling

Sonikering er et kraftfuldt værktøj til behandling af partikelopslæmninger. Intense ultralydskræfter skaber mekaniske vibrationer og stærk kavitation i væsker. Disse høje spændingskræfter kan bryde agglomerater og endda primære partikler, så ultralyd med høj effekt/lavfrekvent ultralyd er en pålidelig metode til Fræsning, deagglomeration og Sprede Programmer.

SEM-billeder af calciumoxid oprindeligt (a) og efter 10 minutters sonikering (b). [Santos et al. 2012]

Ultralydsfræsningen under kulsyreprocessen af gylle skaber små partikler med store overfladearealer. Udover partikelfragmenation fjerner sonikering også aflejringer fra partikeloverfladen, såsom kulsyreholdige skaller eller udtømte matrixlag, der omgiver den ureagerede partikelkerne. Ved at fjerne de passiverende lag reduceres diffusionsbegrænsningerne, og ureageret materiale udsættes for den vandige fase. Derved kan sonikering øge karbonatiseringskonverteringen og proceskinetik - hvilket resulterer i højere udbytter og en hurtigere reaktion.

Ultralydseffekter på partikler [Santos et al. 2011]