Ultrahanggal fokozott ásványi karbonátosítás

Az ásványi karbonátosítás a szén-dioxid reakciója lúgos ásványokkal, például kalcium- vagy magnézium-oxiddal. Az ásványi karbonátosítást szilárd részecskék ipari előállítására használják a gyógyszer-, polimer- és műtrágyaiparban, valamint szén-dioxid megkötésére lúgos anyagokban. A részecskék nagy teljesítményű ultrahanggal végzett kezelése a folyamatintenzifikálás sikeres eszközének bizonyult, amely nagyobb karbonátosítási konverziót és nagyobb reakciósebességet eredményez.

Ásványi karbonátosítás: folyamat és korlátok

A karbonátosítás során természetes anyagokat és hulladékanyagokat karbonátosítanak az összetételükben jelen lévő lúgos oxidok, hidroxidok vagy szilikátok révén. A karbonátosítási folyamat a következő reakciólépésekből áll:

A karbonátosítási reakcióhoz a részecskéknek hozzáférhetőknek kell lenniük a reagensek számára. Ez azt jelenti, hogy a karbonátosítási folyamat javításához nagy, passziváló rétegektől mentes részecskefelület szükséges.
A szilárd részecske zsugorodó, el nem reagált magját körülvevő, egyre vastagabb és tömörebb karbonátréteg kialakulása három sebességkorlátozó lépést hoz létre:

• az oxidok/ szilikátok hidratációja;
• a kationok kioldódása; és
• diffúzió a reakciózónába.

A karbonátosítási folyamat javításához ezeket a korlátokat a folyamatot segítő technológiával kell leküzdeni. A nagy teljesítményű ultrahangot sikeresen alkalmazzák folyamatintenzifikálási technológiaként, amely növeli a karbonátosítás sebességét és a reakciósebességet.

Megoldás: ultrahangos karbonátosítás

A belgiumi Katholieke Universiteit Leuven kutatócsoportja szerint „az ultrahang bizonyítottan potenciálisan hasznos eszköz az ásványi karbonátosítási folyamatok intenzifikálására. A jobb keveredésnek, a részecskék aprításának és a passziváló kalcium-karbonát-rétegek eltávolításának köszönhetően lehetővé vált a reakciókinetika felgyorsítása és nagyobb mértékű karbonátosítás elérése rövidebb idő alatt. Ezenfelül az oldatban lévő magnéziumionokkal együtt az ultrahang jelentősen fokozza az aragonitkristályok szintézisét, egyrészt a szükséges magnéziumkoncentráció csökkentésével, másrészt a reakcióhőmérséklet környezeti hőmérséklet közelébe történő csökkentésével.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Az előnyök áttekintése:

• finom részecskék méreteloszlása ultrahangos keveréssel, deagglomerálással és őrléssel
• az ultrahang eltávolítja a passziváló rétegeket
• az ultrahang fokozza a reakciókinetikát
• az ultrahang csökkenti a bázikusságot
• ultrahangos folyamatintenzifikálás: nagyobb hozam, gyorsabb reakció

Ultrahangos részecskekezelés

Az ultrahangos kezelés hatékony eszköz a részecskeszuszpenziók kezelésére. Az intenzív ultrahangos erők mechanikai rezgést és erős kavitációt hoznak létre a folyadékokban. Ezek a nagy mechanikai igénybevételt okozó erők felbonthatják az agglomerátumokat, sőt az elsődleges részecskéket is, így a nagy teljesítményű/ alacsony frekvenciájú ultrahang megbízható módszer az őrlési, deagglomerálási és diszpergálási alkalmazásokhoz.

A szuszpenziók karbonátosítási folyamata során végzett ultrahangos őrlés nagy felületű, kis részecskéket hoz létre. A részecskék aprítása mellett az ultrahangos kezelés a részecskefelületről is eltávolítja a lerakódásokat, például az el nem reagált részecskemagot körülvevő karbonátosodott héjakat vagy kimerült mátrixrétegeket. A passziváló rétegek eltávolításával csökkennek a diffúziós korlátok, és az el nem reagált anyag hozzáférhetővé válik a vizes fázis számára. Ezáltal az ultrahangos kezelés növelheti a karbonátosítási konverziót és felgyorsíthatja a folyamat kinetikáját – nagyobb hozamot és gyorsabb reakciót eredményezve.