Ultraschall-gestützte mineralische Karbonatisierung

Die mineralische Karbonatisierung ist die Reaktion von Kohlendioxid mit alkalischen Mineralien wie z.B. Kalzium oder Magnesiumoxid. Die mineralische Karbonatisierung wird für die industrielle Produktion von Feststoffpartikeln in der Pharma-, Polymer- und Düngemittelproduktion sowie für die CO2-Sequestrierung in alkalischen Materialien verwendet. Die Partikelbehandlung mit Hochleistung-Ultraschall ist eine erfolgreiche Methode der Prozessintensivierung, die zu einer deutlich höheren Karbonatisierung und einer schnelleren Unwandlungsreaktion führt.

Mineralische Karbonatisierung: Der Prozess und seine Limits

Bei der Karbonatisierung werden Natur- und Abfallstoffe in Anwesenheit von Alkalioxiden, Hydroxiden oder Silikaten karbonisiert. Der Karbonatisierungsprozess setzt sich aus den folgenden Reaktionsschritte zusammen:

Die Carbonisierung von Mineralien enthält 5 Schritte: Solvation - Reaktion - Trink - Ionization - Precipitation

Stufen der mineralischen Karbonatisierung

Für die Karbonatisierungsreaktion müssen die Partikel für die Reagenzien zugänglich sein. Dies bedeutet, dass eine hohe Partikeloberfläche ohne passivierenden Schichten erforderlich ist, um einen effektiven Karbonatisierungsprozess zu erhalten.
Die Bildung einer zunehmend dicken und dichten Karbonatschicht, die den schrumpfenden, unumgesetzten Partikelkern ummantelt, erzeugt folgende drei reaktionshemmende Effekte:

  • Hydratisierung der Oxide/ Silikate;
  • Auswaschung der Kationen;
  • Verteilung in der Reaktionszone.

Um die Karbonatisierungsreaktion zu verbessern, müssen diese reaktionshemmenden Effekte verhindert oder überwunden werden. Hochleistungs-Ultraschall ist eine erfolgreiche prozessintensivierende Technologie, welche die Karbonatisierung und deren Reaktionsgeschwindigkeit verbessert.

Die Lösung: Ultraschall-gestützte Karbonatisierung

Eine Forschungsgruppe der Katholieke Universiteit Leuven in Belgien hat in ihrer Studie nachgewiesen, dass „Ultraschall ein vielversprechendes und nützliches Instrument zur Intensivierung des mineralischen Karbonatisierungsprozesses ist. Durch das verbesserte Durchmischen, das Aufbrechen der Partikel und das Entfernen der passivierenden Calciumcarbonat-Schichten war es möglich, die Reaktionskinetik zu beschleunigen und eine stärkere Karbonatisierung innerhalb kürzerer Zeit zu erreichen. Darüber hinaus verbesserte Ultraschall in Kombination mit Magnesium-Ionen erheblich die Synthese von Aragonit-Kristallen, sowohl durch Reduktion der erforderlichen Magnesiumkonzentration und bei einer deutlich geringeren Reaktionstemperatur (Raumtemperatur).“
[Santos et al. 2011, p.114]

Die Vorteile auf einen Blick:

  • feine Partikelgrößenverteilung durch ultraschall-gestütztes Mischen, Desagglomerieren & Mahlen
  • Ultraschall entfernt passivierende Schichten
  • Ultraschall verbessert die Reaktionskinetik
  • Ultraschall reduziert die Basizität
  • Ultraschall-gestützte Prozessintensivierung: höhere Ausbeute & schnellere Reaktion
Santos et al. 2013 - Ultraschall-verstärkte Mineralkarbonisierungszone

Ultraschalleffekte auf die mineralische Karbonatisierung. [Santos et al. 2013]

Ultraschallpartikel Dispergieren und Bruch auf Labor und im industriellen Maßstab

Ultraschallgerät UP200S für
Beschallung von Slurries

Kontakt/ Weitere Informationen

Sprechen Sie mit uns über Ihren Prozess! Gerne empfehlen wir Ihnen das geeignete Equipment und die richtigen Prozessparameter für Ihr Projekt.





Bitte beachten Sie unsere Datenschutzerklärung.


Beschallung von Slurries

Die ultraschall-gestützte Verarbeitung (sog. Beschallung) ist eine leistungsfähige Methode, Partikel-Slurries zu verarbeiten. Intensive Ultraschallkräfte koppeln Schallwellen in die Flüssigkeit und erzeugen dadurch starke Kavitation in der Flüssigkeit. Diese hoch-intensiven Scherkräfte können Agglomerate und sogar Primärteilchen brechen, wodurch Hochleistungs-/ Niederfrequenz-Ultraschall eine herausragende Methode für Anwendungen wie das Mahlen, Desagglomeration und Dispergieren ist.

Santos et al. 2012 Synthese von reinem Aragonit durch sonochemischer Mineralkarbonisierungszone

SEM-Aufnahmen von Calciumoxid vor (a) und nach 10-minütiger Anwendung von Ultraschall (b). [Santos et al. 2012]

Das Ultraschallmahlen während des Karbonisierungsprozesses von Schlämmen erzeugt kleine Partikel mit großer Oberfläche. Neben der Fragmentierung der Partikel werden durch die Beschallung auch Ablagerungen von der Partikeloberfläche entfernt, wie z.B. karbonisierte Schalen oder abgereicherte Matrixschichten, die den nicht reagierten Partikelkern umgeben. Durch die Entfernung der Passivierungsschichten werden die Diffusionsbeschränkungen reduziert und nicht reagiertes Material der wässrigen Phase ausgesetzt. Dadurch kann die Beschallung die Karbonatisierungsumsetzung und die Prozesskinetik erhöhen - was zu höheren Ausbeuten und einer schnelleren Reaktion führt.

Santos et al. 2011 Intensification Routen für Mineralkarbonisierungszone

Ultraschalleffekte auf die Partikel [Santos et al. 2011]

Leistungsstarke Industrie Ultraschall-Prozessor UIP16000 für anspruchsvolle Prozesse (Anklicken zum Vergrößern!)

UIP16000 – der leistungsstärkste Ultraschall Das Hochleitungs-Ultraschallsystem UIP16000 (16kW)

Literatur

  1. Santos, Rafael M.; Francois, Davy; Mertens, Gilles; Elsen, Jan; Van Gerven, Tom (2013): Ultrasound-intensified mineral carbonation. Applied Thermal Engineering Vol. 57, Issues 1–2, 2013. 154–163.
  2. Santos, Rafael M.; Ceulemans, Pieter; Van Gerven, Tom (2012): Synthesis of pure aragonite by sonochemical mineral carbonation. Chemical Engineering Research & Design, 90/ 6, 2012. 715-725.
  3. Santos, Rafael M.; Ceulemans, Pieter; Francois, Davy; Van Gerven, Tom (2011): Ultrasound-Enhanced Mineral Carbonation. IChemE 2011.

Kontakt/ Weitere Informationen

Sprechen Sie mit uns über Ihren Prozess! Gerne empfehlen wir Ihnen das geeignete Equipment und die richtigen Prozessparameter für Ihr Projekt.





Bitte beachten Sie unsere Datenschutzerklärung.




Ausgangsmaterial für die Karbonatisierung

Als Ausgangsmaterial für die Karbonatisierung kann Natives oder Abfallmaterialien diesen. Zu den reinen Rohstoffen, die zur CO2-Sequestrierung verwendet werden, gehören bspw. Materialien wie Olivin (Mg, Fe)2SiO4, schlangenförmig (Mg, Fe)3Si2O5(OH)4, und Wollastonit CaSiO3.
Abfallmaterialien sind z.B. Stahlschlacken, roter Gips, Asche, Abfälle aus der Papierherstellung, abgeschiedene Stäube/ Cement Kiln Dust (CKD) sowie Abfälle aus dem Bergbau. Diese industriellen Nebenprodukte und Abfälle können aufgrund ihres Alkalioxid-, Hydroxid- oder Silikatgehalts für die Karbonatisierung verwendet werden.