Mineralna karbonatizacija poboljšana ultrazvukom

Mineralna karbonatizacija reakcija je ugljikova dioksida s alkalnim mineralima kao što su kalcijev ili magnezijev oksid. Mineralna karbonatizacija upotrebljava se za industrijsku proizvodnju čvrstih čestica u farmaceutskoj industriji, industriji polimera i industriji gnojiva te za sekvestraciju ugljikova dioksida u alkalnim materijalima. Obrada čestica ultrazvukom velike snage pokazala se uspješnim načinom intenzifikacije procesa koji omogućuje veću konverziju karbonatizacijom i bržu reakciju.

Mineralna karbonatizacija: proces i ograničenja

Pri karbonatizaciji prirodni i otpadni materijali karbonatiziraju se zahvaljujući prisutnosti alkalnih oksida, hidroksida ili silikata u njihovu sastavu. Proces karbonatizacije sastoji se od sljedećih reakcijskih koraka:

Za reakciju karbonatizacije čestice moraju biti dostupne reagensima. To znači da je za poboljšanje procesa karbonatizacije potrebna velika površina čestica bez pasivizirajućih slojeva.
Nastajanje sve debljeg i gušćeg karbonatnog sloja oko sve manje neizreagirane jezgre čvrste čestice dovodi do triju koraka koji ograničavaju brzinu reakcije:

• hidratacija oksida/silikata;
• izluživanje kationa; i
• difuzija do reakcijske zone.

Kako bi se poboljšao proces karbonatizacije, ta je ograničenja potrebno prevladati tehnologijom koja potpomaže proces. Ultrazvuk velike snage uspješno se primjenjuje kao tehnologija intenzifikacije procesa koja povećava brzinu karbonatizacije i brzinu reakcije.

Rješenje: ultrazvučna karbonatizacija

Prema istraživačkoj skupini sa sveučilišta Katholieke Universiteit Leuven u Belgiji, „ultrazvuk se pokazao potencijalno korisnim alatom za intenzifikaciju procesa mineralne karbonatizacije. Zahvaljujući poboljšanom miješanju, lomljenju čestica i uklanjanju pasivizirajućih slojeva kalcijeva karbonata bilo je moguće ubrzati kinetiku reakcije i postići veći stupanj karbonatizacije u kraćem vremenu. Osim toga, u kombinaciji s magnezijevim ionima u otopini, ultrazvuk znatno poboljšava sintezu kristala aragonita, kako smanjenjem potrebne koncentracije magnezija tako i snižavanjem reakcijske temperature na vrijednosti bliske temperaturi okoline.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Pregled prednosti:

• raspodjela veličina sitnih čestica ultrazvučnim miješanjem, deaglomeracijom i mljevenjem
• ultrazvuk uklanja pasivizirajuće slojeve
• ultrazvuk poboljšava kinetiku reakcije
• ultrazvuk smanjuje bazičnost
• ultrazvučna intenzifikacija procesa: veći prinos, brža reakcija

Ultrazvučna obrada čestica

Sonikacija je moćan alat za obradu suspenzija čestica. Intenzivne ultrazvučne sile stvaraju mehaničke vibracije i snažnu kavitaciju u tekućinama. Te sile visokog naprezanja mogu razbiti aglomerate, pa čak i primarne čestice, tako da je ultrazvuk velike snage i niske frekvencije pouzdana metoda za primjene mljevenja, deaglomeracije i dispergiranja .

Ultrazvučno mljevenje tijekom procesa karbonatizacije suspenzija stvara male čestice velikih površina. Osim usitnjavanja čestica, sonikacija također uklanja naslage s površine čestica, kao što su karbonatizirane ovojnice ili osiromašeni slojevi matrice koji okružuju neizreagiranu jezgru čestice. Uklanjanjem pasivizirajućih slojeva smanjuju se difuzijska ograničenja, a neizreagirani materijal izlaže se vodenoj fazi. Time sonikacija može povećati konverziju karbonatizacijom i ubrzati kinetiku procesa – što dovodi do većih prinosa i brže reakcije.