کربناته‌سازی کانی‌ها با تقویت فراصوتی
کربناته‌سازی کانی‌ها واکنش دی‌اکسید کربن با کانی‌های قلیایی مانند اکسید کلسیم یا اکسید منیزیم است. کربناته‌سازی کانی‌ها برای تولید صنعتی ذرات جامد در صنایع داروسازی، پلیمر و کود و همچنین برای ترسیب دی‌اکسید کربن در مواد قلیایی به کار می‌رود. مشخص شده است که تیمار ذرات با فراصوت پرتوان روشی موفق برای تشدید فرایند است که به افزایش میزان تبدیل در کربناته‌سازی و سرعت واکنش می‌انجامد.
کربناته‌سازی کانی‌ها: فرایند و محدودیت‌ها
در کربناته‌سازی، مواد طبیعی و پسماندها به‌دلیل وجود اکسیدها، هیدروکسیدها یا سیلیکات‌های قلیایی در ترکیبشان کربناته می‌شوند. فرایند کربناته‌سازی شامل مراحل واکنشی زیر است:
مراحل کربناته‌سازی کانی‌ها
برای انجام واکنش کربناته‌سازی، ذرات باید در دسترس واکنشگرها باشند. این بدان معناست که برای بهبود فرایند کربناته‌سازی، سطح زیادی از ذرات، بدون لایه‌های غیرفعال‌کننده، مورد نیاز است.
تشکیل لایه‌ای کربناتی که به‌تدریج ضخیم‌تر و متراکم‌تر می‌شود و هستهٔ واکنش‌نداده و در حال کوچک‌شدن ذرهٔ جامد را احاطه می‌کند، سه مرحلهٔ محدودکنندهٔ سرعت ایجاد می‌کند:
- آب‌پوشی اکسیدها/سیلیکات‌ها؛
- لیچینگ کاتیون‌ها؛ و
- نفوذ به ناحیهٔ واکنش.
سنتز پایین‌به‌بالای نانوذرات با سونیکاتور UP400St
راهکار: کربناته‌سازی فراصوتی
به گفتهٔ گروه پژوهشی Katholieke Universiteit Leuven در بلژیک، «ثابت شده است که فراصوت ابزاری بالقوه مفید برای تشدید فرایندهای کربناته‌سازی کانی‌ها است. به‌دلیل بهبود اختلاط، شکستن ذرات و حذف لایه‌های غیرفعال‌کنندهٔ کربنات کلسیم، تسریع سینتیک واکنش و دستیابی به درجهٔ بالاتری از کربناته‌سازی در زمان‌های کوتاه‌تر امکان‌پذیر شد. افزون بر این، فراصوت در ترکیب با یون‌های منیزیم موجود در محلول، از طریق کاهش غلظت مورد نیاز منیزیم و نیز کاهش دمای واکنش تا نزدیکی شرایط محیط، سنتز بلورهای آراگونیت را به‌طور چشمگیری بهبود می‌دهد.»
[Santos et al. 2011, p.114]
مزایا در یک نگاه:
- توزیع اندازهٔ ذرات ریز به‌کمک اختلاط، کلوخه‌زدایی و آسیاب‌کاری فراصوتی
- فراصوت لایه‌های غیرفعال‌کننده را حذف می‌کند
- فراصوت سینتیک واکنش را بهبود می‌دهد
- فراصوت خاصیت بازی را کاهش می‌دهد
- تشدید فرایند با فراصوت: بازده بالاتر، واکنش سریع‌تر
اثرات فراصوت بر کربناته‌سازی کانی‌ها. [Santos et al. 2013]
سونیکاتور رومیزی UIP1000hdT برای آسیاب‌کاری تر و پراکنده‌سازی ذرات
تیمار فراصوتی ذرات
فراصوت‌دهی ابزاری قدرتمند برای تیمار دوغاب‌های ذرات است. نیروهای شدید فراصوتی، ارتعاش مکانیکی و کاویتاسیون قوی در مایعات ایجاد می‌کنند. این نیروهای پُرتنش می‌توانند کلوخه‌ها و حتی ذرات اولیه را بشکنند؛ بنابراین فراصوت پرتوان/کم‌فرکانس روشی قابل‌اعتماد برای آسیاب‌کاری, کلوخه‌زدایی و پراکنده‌سازی است.
تصاویر SEM اکسید کلسیم در ابتدا (a) و پس از 10 دقیقه فراصوت‌دهی (b). [Santos et al. 2012]
آسیاب‌کاری فراصوتی در طول فرایند کربناته‌سازی دوغاب‌ها، ذرات کوچکی با سطح زیاد ایجاد می‌کند. فراصوت‌دهی علاوه بر خردکردن ذرات، رسوبات سطح ذرات را نیز حذف می‌کند؛ از جمله پوسته‌های کربناته یا لایه‌های ماتریس تهی‌شده که هستهٔ واکنش‌ندادهٔ ذره را احاطه کرده‌اند. با حذف لایه‌های غیرفعال‌کننده، محدودیت‌های نفوذ کاهش می‌یابد و مادهٔ واکنش‌نداده در معرض فاز آبی قرار می‌گیرد. به‌این‌ترتیب، فراصوت‌دهی می‌تواند میزان تبدیل در کربناته‌سازی و سینتیک فرایند را افزایش دهد – که به بازده بالاتر و واکنش سریع‌تر می‌انجامد.
اثرات فراصوت بر ذرات [Santos et al. 2011]
UIP16000 – پرتوان‌ترین دستگاه فراصوتی ویژهٔ کار سنگین UIP16000 (16kW)
منابع/مراجع
- 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.
- 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.
- Santos, Rafael M.; Ceulemans, Pieter; Francois, Davy; Van Gerven, Tom (2011): Ultrasound-Enhanced Mineral Carbonation. IChemE 2011.
خوراک کربناته‌سازی
خوراک کربناته‌سازی می‌تواند از مواد بکر یا پسماند باشد. خوراک بکر معمول که به‌عنوان مادهٔ ترسیب کربن به کار می‌رود، شامل کانی‌هایی مانند الیوین (Mg, Fe)2SiO4، سرپانتین (Mg, Fe)3Si2O5(OH)4، و ولاستونیت CaSiO3 است.
پسماندها شامل سرباره‌های فولاد، گچ قرمز، خاکسترهای پسماند، پسماند کارخانهٔ کاغذ، غبار کورهٔ سیمان و پسماندهای معدنی هستند. این محصولات جانبی صنعتی و پسماندها به‌دلیل وجود اکسیدها، هیدروکسیدها یا سیلیکات‌های قلیایی در ترکیبشان می‌توانند برای کربناته‌سازی استفاده شوند.