Ultraheli abil tõhustatud mineraalne karbonatiseerimine

Mineraalne karbonatiseerimine on süsinikdioksiidi reaktsioon leeliseliste mineraalidega, nagu kaltsiumi- või magneesiumoksiid. Mineraalset karbonatiseerimist kasutatakse tahkete osakeste tööstuslikuks tootmiseks farmaatsia-, polümeeri- ja väetisetööstuses ning süsinikdioksiidi sidumiseks leeliselistes materjalides. Osakeste töötlemine võimsa ultrahelilainega on osutunud edukaks protsessi intensiivistamise vahendiks, mis annab suurema karbonatiseerumise astme ja kiirema reaktsioonikiiruse.

Mineraalne karbonatiseerimine: protsess ja piirangud

Karbonatiseerimiseks kasutatakse looduslikke ja jäätmematerjale, kuna nende koostises on leeliselisi oksiide, hüdroksiide või silikaate. Karbonatiseerimisprotsess koosneb järgmistest reaktsioonietappidest:

Karbonatiseerumisreaktsiooniks peavad osakesed olema reagentidele kättesaadavad. See tähendab, et karbonatiseerimisprotsessi parandamiseks on vaja suurt osakeste pindala ilma passiveerivate kihtideta.
Üha paksema ja tihedama karbonaatse kihi teke, mis ümbritseb tahke osakese kahanevat reageerimata tuuma, tekitab kolm kiirust piiravat etappi:

• oksiidide/ silikaatide hüdratatsioon;
• katioonide leostumine; ning
• difusioon reaktsioonitsooni.

Karbonatiseerimisprotsessi parandamiseks tuleb need piirangud ületada protsessi toetava tehnoloogia abil. Suure võimsusega ultraheli on edukalt rakendatud protsessi intensiivistamise tehnoloogiana, mis tõstab karbonatiseerumise kiirust ja reaktsioonikiirust.

Lahendus: ultraheliga karbonatiseerimine

Belgia Leuveni Katoliku Ülikooli (Katholieke Universiteit Leuven) uurimisrühma sõnul: „ultraheli on osutunud potentsiaalselt kasulikuks vahendiks mineraalse karbonatiseerimise protsesside intensiivistamisel. Tänu tõhustatud segamisele, osakeste purunemisele ja kaltsiumkarbonaadi passiveerivate kihtide eemaldamisele oli võimalik reaktsioonikineetikat kiirendada ning saavutada lühema ajaga suurem karbonatiseerumise aste. Lisaks sellele suurendab ultraheli lahuses sisalduvate magneesiumioonide juuresolekul märkimisväärselt aragoniitkristallide sünteesi, vähendades nii vajalikku magneesiumi kontsentratsiooni kui ka alandades reaktsioonitemperatuuri peaaegu ümbritseva keskkonna tingimusteni.“
[Santos et al. 2011, p.114]

Eelised lühidalt:

• peen osakeste suurusjaotus ultraheli abil segamisel, deaglomeratsioonil ja jahvatamisel
• ultraheli eemaldab passiveerivad kihid
• ultraheli kiirendab reaktsioonikineetikat
• ultraheli vähendab aluselisust
• protsessi intensiivistamine ultraheliga: suurem saagis, kiirem reaktsioon

Osakeste ultraheli töötlus

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on võimas vahend osakeste suspensioonide töötlemiseks. Intensiivsed ultraheli jõud tekitavad vedelikes mehaanilist vibratsiooni ja tugevat kavitatsiooni. Need suure koormusega jõud suudavad lõhkuda aglomeraate ja isegi primaarseid osakesi, mistõttu on suure võimsusega/ madala sagedusega ultraheli usaldusväärne meetod jahvatamiseks, deaglomeratsiooniks ja dispergeerimiseks mõeldud rakendustes.

Ultraheli jahvatamine suspensioonide karbonatiseerimisprotsessi ajal tekitab väikesi osakesi, millel on suur pindala. Lisaks osakeste killustumisele eemaldab ultraheli töötlus ka osakese pinnalt ladestisi, näiteks karbonatiseerunud kestasid või ammendunud maatriksikihte, mis ümbritsevad reageerimata osakese tuuma. Passiveerivate kihtide eemaldamisega vähenevad difusioonipiirangud ja reageerimata materjal puutub kokku vesifaasiga. Nii võib ultraheli töötlus suurendada karbonatiseerumise astet ja protsessi kineetikat – mille tulemuseks on suuremad saagised ja kiirem reaktsioon.