Ενανθράκωση ορυκτών ενισχυμένη με υπερήχους

Η ενανθράκωση ορυκτών είναι η αντίδραση του διοξειδίου του άνθρακα με αλκαλικά ορυκτά, όπως το οξείδιο του ασβεστίου ή του μαγνησίου. Η ενανθράκωση ορυκτών χρησιμοποιείται για τη βιομηχανική παραγωγή στερεών σωματιδίων στη φαρμακευτική βιομηχανία, στη βιομηχανία πολυμερών και στη βιομηχανία λιπασμάτων, καθώς και για τη δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα σε αλκαλικά υλικά. Η κατεργασία σωματιδίων με υπερήχους ισχύος έχει αποδειχθεί επιτυχές μέσο εντατικοποίησης της διεργασίας, οδηγώντας σε υψηλότερο βαθμό μετατροπής μέσω ενανθράκωσης και μεγαλύτερη ταχύτητα αντίδρασης.

Ενανθράκωση ορυκτών: Διεργασία και περιορισμοί

Κατά την ενανθράκωση, φυσικά υλικά και απόβλητα υλικά ενανθρακώνονται λόγω της παρουσίας αλκαλικών οξειδίων, υδροξειδίων ή πυριτικών ενώσεων στη σύστασή τους. Η διεργασία ενανθράκωσης αποτελείται από τα ακόλουθα στάδια αντίδρασης:

Για την αντίδραση ενανθράκωσης, τα σωματίδια πρέπει να είναι προσβάσιμα στα αντιδραστήρια. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται μεγάλη επιφάνεια σωματιδίων χωρίς στρώματα παθητικοποίησης για τη βελτίωση της διεργασίας ενανθράκωσης.
Ο σχηματισμός ενός ολοένα παχύτερου και πυκνότερου στρώματος ανθρακικών ενώσεων γύρω από τον συρρικνούμενο πυρήνα του στερεού σωματιδίου που δεν έχει αντιδράσει δημιουργεί τρία στάδια που περιορίζουν την ταχύτητα:

• ενυδάτωση οξειδίων/ πυριτικών ενώσεων·
• έκπλυση κατιόντων· και
• διάχυση προς τη ζώνη αντίδρασης.

Για τη βελτίωση της διεργασίας ενανθράκωσης, αυτοί οι περιορισμοί πρέπει να ξεπεραστούν με μια τεχνολογία που υποβοηθά τη διεργασία. Οι υπέρηχοι υψηλής ισχύος έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία ως τεχνολογία εντατικοποίησης της διεργασίας, αυξάνοντας τον ρυθμό ενανθράκωσης και την ταχύτητα αντίδρασης.

Λύση: Ενανθράκωση με υπερήχους

Σύμφωνα με την ερευνητική ομάδα του Katholieke Universiteit Leuven στο Βέλγιο, «οι υπέρηχοι έχουν αποδειχθεί ένα δυνητικά χρήσιμο εργαλείο για την εντατικοποίηση των διεργασιών ενανθράκωσης ορυκτών. Χάρη στη βελτιωμένη ανάμειξη, στη θραύση των σωματιδίων και στην απομάκρυνση των στρωμάτων παθητικοποίησης από ανθρακικό ασβέστιο, κατέστη δυνατή η επιτάχυνση της κινητικής της αντίδρασης και η επίτευξη μεγαλύτερου βαθμού ενανθράκωσης σε μικρότερους χρόνους. Επιπλέον, σε συνδυασμό με ιόντα μαγνησίου στο διάλυμα, οι υπέρηχοι ενισχύουν σημαντικά τη σύνθεση κρυστάλλων αραγωνίτη, τόσο μειώνοντας την απαιτούμενη συγκέντρωση μαγνησίου όσο και μειώνοντας τη θερμοκρασία αντίδρασης σε επίπεδα κοντά στις συνθήκες περιβάλλοντος.»
[Santos et al. 2011, p.114]

Τα οφέλη με μια ματιά:

• κατανομή μεγέθους λεπτών σωματιδίων μέσω ανάμειξης, αποσυσσωμάτωσης και άλεσης με υπερήχους
• οι υπέρηχοι απομακρύνουν τα στρώματα παθητικοποίησης
• οι υπέρηχοι ενισχύουν την κινητική της αντίδρασης
• οι υπέρηχοι μειώνουν τη βασικότητα
• εντατικοποίηση της διεργασίας με υπερήχους: υψηλότερη απόδοση, ταχύτερη αντίδραση

Κατεργασία σωματιδίων με υπερήχους

Η κατεργασία με υπερήχους είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την επεξεργασία πολφών σωματιδίων. Οι έντονες δυνάμεις των υπερήχων δημιουργούν μηχανικές δονήσεις και ισχυρή σπηλαίωση στα υγρά. Αυτές οι δυνάμεις υψηλής καταπόνησης μπορούν να διασπάσουν συσσωματώματα, ακόμη και πρωτογενή σωματίδια, επομένως οι υπέρηχοι υψηλής ισχύος/ χαμηλής συχνότητας αποτελούν αξιόπιστη μέθοδο για άλεση, αποσυσσωμάτωση και διασπορά σε αντίστοιχες εφαρμογές.

Η άλεση με υπερήχους κατά τη διεργασία ενανθράκωσης πολφών δημιουργεί μικρά σωματίδια με μεγάλες επιφάνειες. Εκτός από τον κατακερματισμό των σωματιδίων, η κατεργασία με υπερήχους απομακρύνει επίσης αποθέσεις από την επιφάνεια των σωματιδίων, όπως ενανθρακωμένα κελύφη ή εξαντλημένα στρώματα της μήτρας που περιβάλλουν τον πυρήνα του σωματιδίου που δεν έχει αντιδράσει. Με την απομάκρυνση των στρωμάτων παθητικοποίησης, μειώνονται οι περιορισμοί διάχυσης και το υλικό που δεν έχει αντιδράσει εκτίθεται στην υδατική φάση. Έτσι, η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να αυξήσει τον βαθμό μετατροπής μέσω ενανθράκωσης και να επιταχύνει την κινητική της διεργασίας – οδηγώντας σε υψηλότερες αποδόσεις και ταχύτερη αντίδραση.