קרבוניזציה מינרלית משופרת באולטרסאונד

פחמן מינרלי הוא תגובה של פחמן דו חמצני עם מינרלים אלקליין כגון סידן או תחמוצת מגנזיום. פחמן מינרלי משמש לייצור תעשייתי של חלקיקים מוצקים בתעשיית התרופות, הפולימרים והדשנים, כמו גם לקיבוע פחמן דו חמצני בחומרים בסיסיים. טיפול בחלקיקים על ידי אולטרסאונד כוח נמצא אמצעי מוצלח להגברת תהליכים וכתוצאה מכך המרת פחמן גבוהה יותר ומהירות תגובה מהירה יותר.

פחמן מינרלי: תהליך ומגבלות

עבור פחמן, חומרים טבעיים ופסולת מוגזים בשל נוכחות של תחמוצות אלקליין, הידרוקסידים או סיליקטים בהרכב שלהם. תהליך הפחמן מורכב משלבי התגובה הבאים:

שלבים של פחמן מינרלי

עבור תגובת הפחמן, החלקיקים חייבים להיות זמינים עבור הריאגנטים. משמעות הדבר היא שנדרש משטח חלקיקים גבוה ללא שכבות פסיביות כדי לשפר את תהליך הפחמן.
היווצרות שכבת קרבונט עבה וצפופה יותר ויותר סביב הליבה המתכווצת של החלקיק המוצק יוצרת שלושה שלבים מגבילי קצב:

• הידרציה של תחמוצות / סיליקטים;
• שטיפה של קטיונים; ו
• דיפוזיה לאזור תגובה.

כדי לשפר את תהליך הפחמן, יש להתגבר על מגבלות אלה באמצעות תהליך המסייע לטכנולוגיה. אולטרסאונד בהספק גבוה יושם בהצלחה כטכנולוגיית הגברת תהליכים המשפרת את קצב הפחמן ואת מהירות התגובה.

פתרון: פחמן קולי

על ידי קבוצת המחקר של Katholieke Universiteit Leuven בבלגיה, “אולטרסאונד הוכח ככלי בעל פוטנציאל שימושי להגברת תהליכי פחימה מינרליים. הודות לערבוב משופר, שבירת חלקיקים וסילוק שכבות פסיביות של סידן פחמתי ניתן היה להאיץ את קינטיקה התגובה ולהשיג היקף פחמן גדול יותר בזמנים קצרים יותר. יתר על כן, בשילוב עם יוני מגנזיום בתמיסה, אולטרסאונד משפר באופן משמעותי את הסינתזה של גבישי אראגוניט, הן על ידי הפחתת ריכוז המגנזיום הנדרש והן על ידי הפחתת טמפרטורת התגובה לתנאי סביבה קרובים.”
[סנטוס ואח' 2011, עמ' 114]

יתרונות במבט חטוף:

• התפלגות גודל חלקיקים עדינה על ידי ערבוב קולי, deagglomeration & כרסום
• אולטרסאונד מסיר שכבות פסיביות
• אולטרסאונד משפר קינטיקה של תגובה
• אולטרסאונד מפחית את הבסיסיות
• הגברת תהליך קולי: תשואה גבוהה יותר, תגובה מהירה יותר

השפעות קוליות על פחמן מינרלי. [סנטוס ואח' 2013]

טיפול בחלקיקים אולטראסוניים

סוניקציה היא כלי רב עוצמה לטיפול בתרחיפים של חלקיקים. כוחות קוליים אינטנסיביים יוצרים רטט מכני וקוויטציה חזקה בנוזלים. כוחות מתח גבוהים אלה יכולים לשבור אגרומרטים ואפילו חלקיקים ראשוניים, כך שאולטרסאונד בהספק גבוה / בתדר נמוך הוא שיטה אמינה עבור כרסום, deagglomeration ו פיזור יישומים.

תמונות SEM של תחמוצת סידן בתחילה (a) ולאחר 10 דקות של סוניקציה (b). [סנטוס ואח' 2012]

כרסום קולי במהלך תהליך פחמן של slurries יוצר חלקיקים קטנים עם שטח פנים גדול. מלבד שבירת חלקיקים, סוניקציה גם מסירה שיקועים מפני השטח של החלקיק, כגון קליפות מוגזות או שכבות מטריצה מדולדלות המקיפות את ליבת החלקיק הבלתי מגיב. על ידי הסרת השכבות הפסיביות, מגבלות הדיפוזיה מצטמצמות וחומר שאינו מגיב נחשף לשלב המימי. בכך, סוניקציה יכולה להגביר את המרת הפחמן ואת קינטיקה התהליך – וכתוצאה מכך יבולים גבוהים יותר ותגובה מהירה יותר.

השפעות קוליות על חלקיקים [Santos et al. 2011]