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 les industries pharmaceutique, des polymères et des engrais, ainsi que pour la séquestration du dioxyde de carbone dans des matériaux alcalins. Le traitement des particules par ultrasons de puissance s’est révélé un moyen efficace d’intensification des procédés, permettant une conversion de carbonatation plus élevée et une vitesse de réaction plus rapide.

Carbonatation minérale : procédé et limites

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

Pour la réaction de carbonatation, les particules doivent être accessibles aux réactifs. Cela signifie qu’une surface particulaire élevée, sans couches passivantes, est nécessaire pour améliorer le procédé de carbonatation.
La formation d’une couche de carbonate de plus en plus épaisse et dense autour du noyau non réagi de la particule solide, qui se réduit progressivement, engendre trois étapes limitantes :

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

Pour améliorer le procédé de carbonatation, ces limitations doivent être surmontées par une technologie d’assistance au procédé. Les ultrasons de haute puissance ont été appliqués avec succès comme technologie d’intensification des procédés, augmentant le taux de carbonatation et la vitesse de réaction.

Solution : la carbonatation par ultrasons

Selon le groupe de recherche de la Katholieke Universiteit Leuven en Belgique, « il a été démontré que les ultrasons constituent un outil potentiellement utile pour l’intensification des procédés de carbonatation minérale. Grâce à un mélange amélioré, à la fragmentation des particules et à l’élimination des couches passivantes de carbonate de calcium, il a été possible d’accélérer la cinétique de réaction et d’atteindre un degré de carbonatation plus élevé en des temps plus courts. De plus, en combinaison avec des ions magnésium en solution, les ultrasons améliorent significativement la synthèse de cristaux d’aragonite, à la fois en réduisant la concentration de magnésium requise et en abaissant la température de réaction à des conditions proches de l’ambiante. »
[Santos et al. 2011, p.114]

Avantages en un coup d’œil :

• distribution granulométrique fine grâce au mélange, à la désagglomération et au broyage par ultrasons
• les ultrasons éliminent les couches passivantes
• les ultrasons améliorent la cinétique de réaction
• les ultrasons réduisent la basicité
• intensification des procédés par ultrasons : rendement plus élevé, réaction plus rapide

Traitement des particules par ultrasons

La sonication est un outil puissant pour traiter les suspensions de particules. Des forces ultrasonores intenses génèrent 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 de haute puissance/ basse fréquence constituent une méthode fiable pour les applications de broyage, désagglomération et dispersion de particules.

Le broyage par ultrasons pendant le procédé de carbonatation de suspensions produit de petites particules présentant de grandes surfaces. Outre la fragmentation des particules, la sonication élimine également les dépôts à la surface des particules, tels que les coques carbonatées ou les couches de matrice appauvrie qui entourent le noyau non réagi de la particule. L’élimination des couches passivantes réduit les limitations de diffusion et expose le matériau n’ayant pas réagi à la phase aqueuse. Ainsi, la sonication peut augmenter la conversion de carbonatation et la cinétique du procédé – ce qui se traduit par des rendements plus élevés et une réaction plus rapide.