Carbonatación mineral mejorada mediante ultrasonidos

La carbonatación mineral es la reacción del dióxido de carbono con minerales alcalinos, como el óxido de calcio o de magnesio. La carbonatación mineral se utiliza para la producción industrial de partículas sólidas en las industrias farmacéutica, de polímeros y de fertilizantes, así como para el secuestro de dióxido de carbono en materiales alcalinos. El tratamiento de partículas mediante ultrasonidos de potencia ha demostrado ser un medio eficaz para intensificar el proceso, con una mayor conversión de carbonatación y una mayor velocidad de reacción.

Carbonatación mineral: proceso y limitaciones

Los materiales naturales y los residuos pueden someterse a carbonatación gracias a la presencia de óxidos, hidróxidos o silicatos alcalinos en su composición. El proceso de carbonatación consta de las siguientes etapas de reacción:

Para la reacción de carbonatación, las partículas deben ser accesibles a los reactivos. Esto significa que, para mejorar el proceso de carbonatación, se requiere una gran superficie de partículas sin capas pasivantes.
La formación de una capa de carbonato cada vez más gruesa y densa alrededor del núcleo sin reaccionar de la partícula sólida, que se va reduciendo, genera tres etapas que limitan la velocidad:

• hidratación de óxidos/silicatos;
• lixiviación de cationes; y
• difusión hacia la zona de reacción.

Para mejorar el proceso de carbonatación, estas limitaciones deben superarse mediante una tecnología que facilite el proceso. Los ultrasonidos de alta potencia se han aplicado con éxito como tecnología de intensificación del proceso, aumentando la tasa de carbonatación y la velocidad de reacción.

Solución: carbonatación ultrasónica

Según el grupo de investigación de la Katholieke Universiteit Leuven, en Bélgica, «se ha demostrado que los ultrasonidos son una herramienta potencialmente útil para intensificar los procesos de carbonatación mineral. Gracias a la mejora de la mezcla, la fragmentación de las partículas y la eliminación de las capas pasivantes de carbonato de calcio, fue posible acelerar la cinética de reacción y alcanzar un mayor grado de carbonatación en menos tiempo. Además, en combinación con iones de magnesio en solución, los ultrasonidos mejoran significativamente la síntesis de cristales de aragonito, tanto al reducir la concentración de magnesio necesaria como al reducir la temperatura de reacción hasta valores próximos a la temperatura ambiente».
[Santos et al. 2011, p.114]

Ventajas de un vistazo:

• distribución de tamaños de partículas finas mediante mezcla, desaglomeración y molienda ultrasónicas
• los ultrasonidos eliminan las capas pasivantes
• los ultrasonidos mejoran la cinética de reacción
• los ultrasonidos reducen la basicidad
• intensificación ultrasónica del proceso: mayor rendimiento y reacción más rápida

Tratamiento ultrasónico de partículas

La sonicación es una herramienta potente para tratar suspensiones de partículas. Las intensas fuerzas ultrasónicas generan vibraciones mecánicas y una fuerte cavitación en los líquidos. Estas fuerzas, que generan grandes esfuerzos mecánicos, pueden romper aglomerados e incluso partículas primarias, por lo que los ultrasonidos de alta potencia y baja frecuencia son un método fiable para la molienda, la desaglomeración y la dispersión en diversas aplicaciones.

La molienda ultrasónica durante el proceso de carbonatación de suspensiones genera partículas pequeñas con grandes superficies. Además de fragmentar las partículas, la sonicación también elimina depósitos de su superficie, como las envolturas carbonatadas o las capas de matriz agotada que rodean el núcleo de la partícula sin reaccionar. Al eliminar las capas pasivantes, se reducen las limitaciones de difusión y el material sin reaccionar queda expuesto a la fase acuosa. De este modo, la sonicación puede aumentar la conversión de carbonatación y acelerar la cinética del proceso – lo que se traduce en mayores rendimientos y una reacción más rápida.