Karbonizacija minerala poboljšana ultrazvukom

Mineralna karbonizacija je reakcija ugljičnog dioksida s alkalnim mineralima kao što su kalcijev ili magnezijev oksid. Mineralna karbonizacija koristi se za industrijsku proizvodnju čvrstih čestica u farmaceutskoj industriji, industriji polimera i gnojiva kao i za sekvestraciju ugljičnog dioksida u alkalnim materijalima. Utvrđeno je da je obrada čestica snažnim ultrazvukom uspješan način intenzifikacije procesa što rezultira većom pretvorbom karbonizacije i većom brzinom reakcije.

Karbonizacija minerala: proces i ograničenja

Za karbonizaciju, prirodni i otpadni materijali su karbonizirani zbog prisutnosti alkalnih oksida, hidroksida ili silikata u svom sastavu. Proces karbonizacije sastoji se od sljedećih reakcijskih koraka:

Koraci karbonizacije minerala

Za reakciju karbonizacije, čestice moraju biti dostupne za reagense. To znači da je za poboljšanje procesa karbonizacije potrebna visoka površina čestica bez pasivizirajućih slojeva.
Formiranje sve debljeg i gušćeg karbonatnog sloja koji okružuje neizreagiranu jezgru krute čestice koja se skuplja stvara tri koraka ograničenja brzine:

• hidratacija oksida/silikata;
• ispiranje kationa; i
• difuzija u reakcijsku zonu.

Kako bi se poboljšao proces karbonizacije, ova ograničenja moraju se prevladati tehnologijom koja pomaže procesu. Ultrazvuk velike snage uspješno se primjenjuje kao tehnologija intenzifikacije procesa povećavajući stopu karbonizacije i brzinu reakcije.

Rješenje: ultrazvučna karbonizacija

Istraživačka grupa Katholieke Universiteit Leuven u Belgiji, “ultrazvuk se pokazao kao potencijalno koristan alat za intenziviranje procesa karbonizacije minerala. Zbog pojačanog miješanja, lomljenja čestica i uklanjanja pasivizirajućih slojeva kalcijevog karbonata bilo je moguće ubrzati kinetiku reakcije i postići veći stupanj karbonizacije u kraćim vremenima. Štoviše, u kombinaciji s magnezijevim ionima u otopini, ultrazvuk značajno pojačava sintezu kristala aragonita, i smanjenjem potrebne koncentracije magnezija i smanjenjem temperature reakcije na uvjete blizu ambijentalnih.”
[Santos et al. 2011, str. 114]

Prednosti na prvi pogled:

• fina distribucija veličine čestica ultrazvučnim miješanjem, deaglomeracija & mljevenje
• ultrazvuk uklanja pasivne slojeve
• ultrazvuk pojačava kinetiku reakcije
• ultrazvuk smanjuje bazičnost
• ultrazvučno intenziviranje procesa: veći prinos, brža reakcija

Ultrazvučni učinci na karbonizaciju minerala. [Santos et al. 2013.]

tretman ultrazvučnim česticama

Sonikacija je moćan alat za tretiranje kaše čestica. Intenzivne ultrazvučne sile stvaraju mehaničke vibracije i jaku kavitaciju u tekućinama. Ove velike sile naprezanja mogu razbiti aglomerate, pa čak i primarne čestice, tako da je ultrazvuk velike snage/niske frekvencije pouzdana metoda za mljevenje, deaglomeracija i Raspršivanje aplikacije.

SEM slike kalcijevog oksida početno (a) i nakon 10 minuta sonikacije (b). [Santos et al. 2012.]

Ultrazvučno mljevenje tijekom procesa karbonizacije mulja stvara male čestice s velikim površinama. Osim fragmentacije čestica, sonikacija također uklanja naslage s površine čestica, kao što su karbonizirane ljuske ili osiromašeni slojevi matrice koji okružuju nereagiranu jezgru čestice. Uklanjanjem pasivizirajućih slojeva smanjuju se ograničenja difuzije i neizreagirani materijal izlaže se vodenoj fazi. Stoga sonikacija može povećati pretvorbu karbonizacije i kinetiku procesa – što rezultira većim prinosima i bržom reakcijom.

Ultrazvučni učinci na čestice [Santos et al. 2011.]