Ultraäänellä tehostettu mineraalien karbonatisointi

Mineraalien karbonatisointi on hiilidioksidin reaktio emäksisten mineraalien, kuten kalsium- tai magnesiumoksidin, kanssa. Mineraalien karbonatisointia käytetään kiinteiden hiukkasten teolliseen tuotantoon lääke-, polymeeri- ja lannoiteteollisuudessa sekä hiilidioksidin sitomiseen emäksisiin materiaaleihin. Hiukkasten käsittely teho ultraäänellä on todettu onnistuneeksi keinoksi tehostaa prosessia, jolloin saavutetaan suurempi karbonatisoinnin konversio ja nopeampi reaktio.

Mineraalien karbonatisointi: prosessi ja rajoitukset

Karbonatisoinnissa luonnonmateriaaleja ja jätemateriaaleja karbonatisoidaan, koska niiden koostumuksessa on emäksisiä oksideja, hydroksideja tai silikaatteja. Karbonatisointiprosessi koostuu seuraavista reaktiovaiheista:

Karbonatisointireaktiossa reagenssien on päästävä kosketuksiin hiukkasten kanssa. Tämä tarkoittaa, että karbonatisointiprosessin parantaminen edellyttää suurta hiukkasten pinta-alaa ilman passivoivia kerroksia.
Kiinteän hiukkasen kutistuvaa, reagoimatonta ydintä ympäröivän yhä paksumman ja tiiviimmän karbonaattikerroksen muodostuminen aiheuttaa kolme reaktionopeutta rajoittavaa vaihetta:

• oksidien/silikaattien hydratoituminen;
• kationien liukeneminen; ja
• diffuusio reaktiovyöhykkeelle.

Karbonatisointiprosessin parantamiseksi nämä rajoitukset on voitettava prosessia tukevalla teknologialla. Suuritehoista ultraääntä on käytetty onnistuneesti prosessin tehostamisteknologiana, joka lisää karbonatisointinopeutta ja reaktionopeutta.

Ratkaisu: ultraäänellä tehostettu karbonatisointi

Belgialaisen Katholieke Universiteit Leuvenin tutkimusryhmän mukaan ”ultraäänen on osoitettu olevan mahdollisesti hyödyllinen väline mineraalien karbonatisointiprosessien tehostamiseen. Tehostuneen sekoittumisen, hiukkasten rikkoutumisen ja passivoivien kalsiumkarbonaattikerrosten poistumisen ansiosta oli mahdollista nopeuttaa reaktiokinetiikkaa ja saavuttaa suurempi karbonatisointiaste lyhyemmässä ajassa. Lisäksi ultraääni yhdessä liuoksessa olevien magnesiumionien kanssa tehostaa merkittävästi aragoniittikiteiden synteesiä sekä pienentämällä tarvittavaa magnesiumpitoisuutta että laskemalla reaktiolämpötilan lähelle ympäristön lämpötilaa.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Edut yhdellä silmäyksellä:

• hienojen hiukkasten kokojakauma ultraäänisekoituksella, deagglomeroinnilla ja jauhatuksella
• ultraääni poistaa passivoivia kerroksia
• ultraääni tehostaa reaktiokinetiikkaa
• ultraääni vähentää emäksisyyttä
• prosessin tehostaminen ultraäänellä: suurempi saanto, nopeampi reaktio

Hiukkasten ultraäänikäsittely

Ultraäänikäsittely on tehokas keino käsitellä hiukkaslietteitä. Voimakkaat ultraäänivoimat synnyttävät nesteissä mekaanista värähtelyä ja voimakasta kavitaatiota. Nämä suuret rasitusvoimat voivat hajottaa agglomeraatteja ja jopa primäärihiukkasia, joten suuritehoinen matalataajuinen ultraääni on luotettava menetelmä jauhatusta, deagglomerointia ja dispergointia vaativissa sovelluksissa.

Ultraäänijauhatus lietteiden karbonatisointiprosessin aikana tuottaa pieniä hiukkasia, joilla on suuri pinta-ala. Hiukkasten pilkkomisen lisäksi ultraäänikäsittely poistaa hiukkasten pinnalta myös kerrostumia, kuten karbonatisoituneita kuoria tai köyhtyneitä matriisikerroksia, jotka ympäröivät hiukkasen reagoimatonta ydintä. Passivoivien kerrosten poistaminen vähentää diffuusion rajoituksia ja saattaa reagoimattoman materiaalin kosketuksiin vesifaasin kanssa. Näin ultraäänikäsittely voi lisätä karbonatisoinnin konversiota ja nopeuttaa prosessin kinetiikkaa – jolloin saanto kasvaa ja reaktio nopeutuu.