Carbonatation minérale améliorée par ultrasons

La carbonatation minérale est la réaction du dioxyde de carbone avec des minéraux alcalins tels que l'oxyde de calcium ou de magnésium. La carbonatation minérale est utilisée pour la production industrielle de particules solides dans l'industrie pharmaceutique, des polymères et des engrais, ainsi que pour la séquestration du dioxyde de carbone dans les matériaux alcalins. Le traitement des particules par ultrasons de puissance s'est avéré être un moyen efficace d'intensification du processus, ce qui se traduit par une conversion plus élevée de la carbonatation et une vitesse de réaction plus rapide.

Carbonatation minérale : Processus et limites

Pour la carbonatation, les matériaux naturels et les déchets sont carbonatés en raison de la présence d'oxydes, d'hydroxydes ou de silicates alcalins dans leur composition. Le processus de carbonatation comprend les étapes de réaction suivantes :

Étapes de la carbonatation minérale

Pour la réaction de carbonatation, les particules doivent être disponibles pour les réactifs. Cela signifie qu'une surface de particules élevée sans couches passivantes est nécessaire pour améliorer le processus de carbonatation.
La formation d'une couche de carbonate de plus en plus épaisse et dense entourant le noyau non réagi de la particule solide qui se rétrécit, crée trois étapes limitant la vitesse :

• l'hydratation des oxydes/silicates ;
• la lixiviation des cations ; et
• diffusion vers la zone de réaction.

Pour améliorer le processus de carbonatation, ces limitations doivent être surmontées par une technologie d'assistance au processus. Des ultrasons de forte puissance ont été appliqués avec succès comme technologie d'intensification du processus, améliorant la vitesse de carbonatation et la vitesse de réaction.

Solution : Carbonatation par ultrasons

Par le groupe de recherche de la Katholieke Universiteit Leuven en Belgique, “Les ultrasons se sont avérés être un outil potentiellement utile pour l'intensification des processus de carbonatation minérale. Grâce à l'amélioration du mélange, à la rupture des particules et à l'élimination des couches passivantes de carbonate de calcium, il a été possible d'accélérer la cinétique de la réaction et d'obtenir une plus grande étendue de carbonatation en moins de temps. En outre, en combinaison avec des ions magnésium en solution, les ultrasons améliorent considérablement la synthèse des cristaux d'aragonite, à la fois en réduisant la concentration requise de magnésium et en ramenant la température de réaction à des conditions proches des conditions ambiantes.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Les avantages en un coup d'œil :

• distribution granulométrique fine par mélange ultrasonique, désagglomération & fraisage
• Les ultrasons éliminent les couches de passivation
• Les ultrasons améliorent la cinétique des réactions
• les ultrasons réduisent la basicité
• intensification du processus par ultrasons : rendement plus élevé, réaction plus rapide

Effets des ultrasons sur la carbonatation minérale. [Santos et al. 2013]

traitement des particules par ultrasons

La sonication est un outil puissant pour traiter les boues à particules. Les forces ultrasoniques intenses créent des vibrations mécaniques et une forte cavitation dans les liquides. Ces forces de contrainte élevées peuvent briser les agglomérats et même les particules primaires, de sorte que les ultrasons à haute puissance et à basse fréquence constituent une méthode fiable pour le traitement des boues de particules. fraisage, désagglomération et Dispersion des applications.

Images MEB de l'oxyde de calcium initialement (a) et après 10 minutes de sonication (b). [Santos et al. 2012]

Le broyage par ultrasons pendant le processus de carbonatation des boues crée de petites particules à grande surface. Outre la fragmentation des particules, la sonication élimine également les dépôts à la surface des particules, tels que les coquilles carbonatées ou les couches de matrice appauvries qui entourent le noyau de la particule n'ayant pas réagi. En éliminant les couches passivantes, les limitations de diffusion sont réduites et la matière n'ayant pas réagi est exposée à la phase aqueuse. Ainsi, la sonication peut augmenter la conversion de la carbonatation et la cinétique du processus, ce qui se traduit par des rendements plus élevés et une réaction plus rapide.

Effets des ultrasons sur les particules [Santos et al. 2011]