Ultraäänellä tehostettu mineraalihiilihapotus

Mineraalikarbonaatio on hiilidioksidin reaktio emäksisten mineraalien, kuten kalsiumin tai magnesiumoksidin, kanssa. Mineraalihiilihapotusta käytetään kiinteiden hiukkasten teolliseen tuotantoon lääke-, polymeeri- ja lannoiteteollisuudessa sekä hiilidioksidin sitomiseen emäksisiin materiaaleihin. Hiukkasten käsittely tehon ultraäänellä on havaittu onnistuneeksi keinoksi prosessin tehostamiseen, mikä johtaa suurempaan hiilihapotusmuunnokseen ja nopeampaan reaktionopeuteen.

Mineraalihiilihapotus: prosessi ja rajoitukset

Hiilihapotusta varten luonnon- ja jätemateriaalit hiilihapotetaan emäksisten oksidien, hydroksidien tai silikaattien läsnä ollessa niiden koostumuksessa. Hiilihapotusprosessi koostuu seuraavista reaktiovaiheista:

Mineraalihiilihapotuksen vaiheet

Karbonaatioreaktiota varten hiukkasten on oltava reagenssien käytettävissä. Tämä tarkoittaa, että hiilihapotusprosessin parantamiseksi tarvitaan korkea hiukkaspinta ilman passiivisia kerroksia.
Yhä paksumman ja tiheämmän karbonaattikerroksen muodostuminen kiinteän hiukkasen kutistuvan reagoimattoman ytimen ympärille luo kolme nopeutta rajoittavaa vaihetta:

• oksidien / silikaattien hydratointi;
• kationien huuhtoutuminen; ja
• diffuusio reaktioalueelle.

Hiilihapotusprosessin parantamiseksi nämä rajoitukset on voitettava prosessia avustavalla tekniikalla. Suuritehoista ultraääntä on käytetty menestyksekkäästi prosessin tehostamistekniikkana, joka parantaa karbonaationopeutta ja reaktionopeutta.

Ratkaisu: Ultraäänihiilihapotus

Belgiassa sijaitsevan Katholieke Universiteit Leuvenin tutkimusryhmä, “Ultraääni on osoittautunut mahdollisesti hyödylliseksi työkaluksi mineraalihiilihapotusprosessien tehostamiseen. Tehostetun sekoittumisen, hiukkasten rikkoutumisen ja kalsiumkarbonaattia passivoivien kerrosten poistamisen ansiosta oli mahdollista nopeuttaa reaktiokinetiikkaa ja saavuttaa suurempi hiilihapotuslaajuus lyhyemmässä ajassa. Lisäksi yhdessä magnesiumionien kanssa liuoksessa ultraääni parantaa merkittävästi aragoniittikiteiden synteesiä sekä vähentämällä vaadittua magnesiumpitoisuutta että vähentämällä reaktiolämpötilaa lähiolosuhteisiin.”
[Santos et ai., 2011, s.114]

Edut yhdellä silmäyksellä:

• hieno hiukkaskokojakauma ultraäänisekoituksella, deagglomeraatiolla & Jyrsintä
• Ultraääni poistaa passiiviset kerrokset
• Ultraääni parantaa reaktiokinetiikkaa
• Ultraääni vähentää emäksisyyttä
• Ultraääniprosessin tehostaminen: suurempi saanto, nopeampi reaktio

Ultraäänivaikutukset mineraalihiilihapotukseen. [Santos ym. 2013]

Ultraäänihiukkasten käsittely

Sonikaatio on tehokas työkalu hiukkaslietteen hoitoon. Voimakkaat ultraäänivoimat luovat mekaanista tärinää ja voimakasta kavitaatiota nesteissä. Nämä suuret jännitysvoimat voivat rikkoa agglomeraatteja ja jopa primaarisia hiukkasia, joten suuritehoinen / matalataajuinen ultraääni on luotettava menetelmä Jyrsintä, deagglomeraatio ja Purkamalla Sovelluksia.

SEM-kuvat kalsiumoksidista aluksi (a) ja 10 minuutin sonikoinnin jälkeen (b). [Santos ym. 2012]

Ultraäänijyrsintä lietteen hiilihapotusprosessin aikana luo pieniä hiukkasia, joilla on suuret pinta-alat. Hiukkasten fragmenaation lisäksi sonikaatio poistaa myös hiukkasten pinnalta kerrostumia, kuten hiilihapotettuja kuoria tai köyhdytettyjä matriisikerroksia, jotka ympäröivät reagoimatonta hiukkasydintä. Poistamalla passivoivat kerrokset diffuusiorajoitukset vähenevät ja reagoimaton materiaali altistetaan vesifaasille. Siten sonikaatio voi lisätä hiilihapotuksen muuntamista ja prosessin kinetiikkaa - mikä johtaa suurempiin saantoihin ja nopeampaan reaktioon.

Ultraäänivaikutukset hiukkasiin [Santos et ai., 2011]