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:

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

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

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.

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

Durch die Ultraschallzerkleinerung während des Karbonisierungsprozesses von Schlämmen entstehen kleine Partikel mit großer Oberfläche. Neben der Fragmentierung der Partikel werden durch die Beschallung auch Ablagerungen von der Partikeloberfläche entfernt, z. B. karbonisierte Schalen oder verarmte Matrixschichten, die den nicht umgesetzten Partikelkern umgeben. Durch die Entfernung der Passivierungsschichten werden Diffusionsbeschränkungen verringert und das nicht umgesetzte Material wird der wässrigen Phase ausgesetzt. Dadurch kann die Beschallung den Karbonisierungsumsatz und die Prozesskinetik erhöhen, was zu höheren Ausbeuten und einer schnelleren Reaktion führt.

Ultraschalleffekte auf die Partikel [Santos et al. 2011]