קרבונציה מינרלית משופרת באמצעות אולטרסאונד

קרבונציה מינרלית היא התגובה של פחמן דו-חמצני עם מינרלים בסיסיים כגון תחמוצת סידן או תחמוצת מגנזיום. קרבונציה מינרלית משמשת לייצור תעשייתי של חלקיקים מוצקים בתעשיות התרופות, הפולימרים והדשנים, וכן לקיבוע פחמן דו-חמצני בחומרים בסיסיים. טיפול בחלקיקים באמצעות אולטרסאונד בעוצמה גבוהה נמצא כאמצעי מוצלח להעצמת התהליך, המביא לשיעור המרה גבוה יותר בקרבונציה ולמהירות תגובה גבוהה יותר.

קרבונציה מינרלית: התהליך ומגבלותיו

בתהליך הקרבונציה, חומרים טבעיים וחומרי פסולת עוברים קרבונציה הודות לנוכחותם של תחמוצות, הידרוקסידים או סיליקטים בסיסיים בהרכבם. תהליך הקרבונציה כולל את שלבי התגובה הבאים:

לצורך תגובת הקרבונציה, החלקיקים חייבים להיות נגישים למגיבים. משמעות הדבר היא שכדי לשפר את תהליך הקרבונציה נדרש שטח פנים גדול של החלקיקים, ללא שכבות פסיבציה.
היווצרותה של שכבת קרבונט הולכת ומתעבה ונעשית צפופה יותר סביב הליבה המתכווצת של החלקיק המוצק שטרם הגיבה יוצרת שלושה שלבים המגבילים את קצב התגובה:

• הידרציה של תחמוצות/ סיליקטים;
• מיצוי של קטיונים; וכן
• דיפוזיה אל אזור התגובה.

כדי לשפר את תהליך הקרבונציה, יש להתגבר על מגבלות אלה באמצעות טכנולוגיה המסייעת לתהליך. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה יושם בהצלחה כטכנולוגיה להעצמת התהליך, המשפרת את קצב הקרבונציה ואת מהירות התגובה.

הפתרון: קרבונציה אולטרסונית

לדברי קבוצת המחקר של Katholieke Universiteit Leuven בבלגיה, "אולטרסאונד הוכח ככלי בעל פוטנציאל להועיל בהעצמת תהליכי קרבונציה מינרלית. הודות לערבוב משופר, לשבירת חלקיקים ולהסרת שכבות פסיבציה של סידן פחמתי, ניתן היה להאיץ את קינטיקת התגובה ולהשיג דרגת קרבונציה גבוהה יותר בזמנים קצרים יותר. יתרה מזאת, בשילוב עם יוני מגנזיום בתמיסה, אולטרסאונד משפר במידה ניכרת את הסינתזה של גבישי ארגוניט, הן באמצעות הפחתת ריכוז המגנזיום הנדרש והן באמצעות הורדת טמפרטורת התגובה לקרבת טמפרטורת הסביבה."
[Santos et al. 2011, p.114]

היתרונות במבט מהיר:

• התפלגות גדלים של חלקיקים דקים באמצעות ערבוב, פירוק אגלומרטים וטחינה באולטרסאונד
• אולטרסאונד מסיר שכבות פסיבציה
• אולטרסאונד משפר את קינטיקת התגובה
• אולטרסאונד מפחית את הבסיסיות
• העצמת תהליכים באמצעות אולטרסאונד: תפוקה גבוהה יותר, תגובה מהירה יותר

טיפול אולטרסוני בחלקיקים

סוניקציה היא כלי רב-עוצמה לטיפול בתרחיפי חלקיקים. כוחות אולטרסוניים עזים יוצרים תנודה מכנית וקוויטציה חזקה בנוזלים. כוחות מאמץ גבוהים אלה יכולים לפרק אגלומרטים ואף לשבור חלקיקים ראשוניים, כך שאולטרסאונד בעוצמה גבוהה/ בתדר נמוך הוא שיטה אמינה לביצוע טחינה, פירוק אגלומרטים וכן פיזור ביישומים אלה.

הטחינה האולטרסונית במהלך תהליך הקרבונציה של תרחיפים יוצרת חלקיקים קטנים בעלי שטחי פנים גדולים. מלבד שבירת החלקיקים, סוניקציה מסירה גם משקעים מפני השטח של החלקיקים, כגון קליפות שעברו קרבונציה או שכבות מטריצה מדולדלות המקיפות את ליבת החלקיק שטרם הגיבה. הסרת שכבות הפסיבציה מפחיתה את מגבלות הדיפוזיה וחושפת חומר שטרם הגיב לפאזה המימית. כך, סוניקציה יכולה להגדיל את שיעור ההמרה בקרבונציה ולהאיץ את קינטיקת התהליך – ולהביא לתפוקות גבוהות יותר ולתגובה מהירה יותר.