Ultraschallunterstützte mineralische Karbonatisierung

Mineralische Karbonatisierung ist die Reaktion von Kohlendioxid mit alkalischen Mineralien wie Calcium- oder Magnesiumoxid. Die mineralische Karbonatisierung wird zur industriellen Herstellung von Feststoffpartikeln in der Pharma-, Polymer- und Düngemittelindustrie sowie zur Bindung von Kohlendioxid in alkalischen Materialien eingesetzt. Die Partikelbehandlung mit Leistungsultraschall hat sich als wirksames Mittel zur Prozessintensivierung erwiesen und führt zu einem höheren Karbonatisierungsumsatz und einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit.

Mineralische Karbonatisierung: Prozess und Grenzen

Bei der Karbonatisierung werden natürliche Materialien und Abfallmaterialien aufgrund der in ihnen enthaltenen alkalischen Oxide, Hydroxide oder Silikate karbonatisiert. Der Karbonatisierungsprozess besteht aus den folgenden Reaktionsschritten:

Für die Karbonatisierungsreaktion müssen die Partikel für die Reagenzien zugänglich sein. Um den Karbonatisierungsprozess zu verbessern, ist daher eine große Partikeloberfläche ohne passivierende Schichten erforderlich.
Die Bildung einer zunehmend dicken und dichten Carbonatschicht um den schrumpfenden, noch nicht umgesetzten Kern des Feststoffpartikels führt zu drei geschwindigkeitsbestimmenden Schritten:

• Hydratation von Oxiden/Silikaten;
• Auslaugung von Kationen; und
• Diffusion zur Reaktionszone.

Um den Karbonatisierungsprozess zu verbessern, müssen diese Einschränkungen mithilfe einer prozessunterstützenden Technologie überwunden werden. Leistungsultraschall wurde erfolgreich als Technologie zur Prozessintensivierung eingesetzt, um die Karbonatisierungsrate und die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Lösung: Karbonatisierung mit Ultraschall

Nach Angaben der Forschungsgruppe der Katholieke Universiteit Leuven in Belgien „hat sich Ultraschall als potenziell nützliches Werkzeug zur Intensivierung mineralischer Karbonatisierungsprozesse erwiesen. Durch verbesserte Durchmischung, Partikelzerkleinerung und die Entfernung passivierender Calciumcarbonatschichten war es möglich, die Reaktionskinetik zu beschleunigen und in kürzerer Zeit einen höheren Karbonatisierungsgrad zu erreichen. Darüber hinaus verbessert Ultraschall in Kombination mit Magnesiumionen in Lösung die Synthese von Aragonitkristallen erheblich, indem er sowohl die erforderliche Magnesiumkonzentration senkt als auch die Reaktionstemperatur auf nahezu Umgebungstemperatur reduziert.“
[Santos et al. 2011, p.114]

Vorteile auf einen Blick:

• feine Partikelgrößenverteilung durch Mischen, Deagglomerieren und Mahlen mit Ultraschall
• Ultraschall entfernt passivierende Schichten
• Ultraschall beschleunigt die Reaktionskinetik
• Ultraschall reduziert die Basizität
• Prozessintensivierung durch Ultraschall: höhere Ausbeute, schnellere Reaktion

Partikelbehandlung mit Ultraschall

Die Ultraschallbehandlung ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Behandlung von Partikelsuspensionen. Intensive Ultraschallkräfte erzeugen mechanische Schwingungen und starke Kavitation in Flüssigkeiten. Diese hohen Beanspruchungskräfte können Agglomerate und sogar Primärpartikel zerkleinern, sodass leistungsstarker, niederfrequenter Ultraschall eine zuverlässige Methode für Mahlprozesse, Deagglomeration und Dispergieranwendungen ist.

Das Ultraschallmahlen während des Karbonatisierungsprozesses von Suspensionen erzeugt kleine Partikel mit großen Oberflächen. Neben der Partikelzerkleinerung entfernt die Ultraschallbehandlung auch Ablagerungen von der Partikeloberfläche, beispielsweise karbonatisierte Hüllen oder verarmte Matrixschichten, die den noch nicht umgesetzten Partikelkern umgeben. Durch die Entfernung der passivierenden Schichten werden Diffusionsbegrenzungen verringert und das noch nicht umgesetzte Material wird für die wässrige Phase zugänglich. Dadurch kann die Ultraschallbehandlung den Karbonatisierungsumsatz erhöhen und die Prozesskinetik beschleunigen – mit höheren Ausbeuten und einer schnelleren Reaktion als Ergebnis.