Ուլտրաձայնով ուժեղացված հանքային կարբոնատացում
Հանքային կարբոնատացումը ածխածնի երկօքսիդի ռեակցիան է հիմնային հանքանյութերի, օրինակ՝ կալցիումի կամ մագնեզիումի օքսիդի հետ։ Հանքային կարբոնատացումն օգտագործվում է դեղագործական, պոլիմերային և պարարտանյութերի արդյունաբերության մեջ պինդ մասնիկների արդյունաբերական արտադրության, ինչպես նաև հիմնային նյութերում ածխածնի երկօքսիդի կապակցման համար։ Պարզվել է, որ հզոր ուլտրաձայնով մասնիկների մշակումը գործընթացի ինտենսիվացման հաջող միջոց է, որն ապահովում է կարբոնատացման փոխարկման ավելի բարձր աստիճան և ռեակցիայի ավելի մեծ արագություն։
Հանքային կարբոնատացում. գործընթացը և սահմանափակումները
Կարբոնատացման նպատակով բնական և թափոնային նյութերը կարբոնատացվում են՝ դրանց բաղադրության մեջ հիմնային օքսիդների, հիդրօքսիդների կամ սիլիկատների առկայության շնորհիվ։ Կարբոնատացման գործընթացը բաղկացած է ռեակցիայի հետևյալ փուլերից.
Հանքային կարբոնատացման փուլերը
Կարբոնատացման ռեակցիայի համար մասնիկները պետք է հասանելի լինեն ռեագենտներին։ Սա նշանակում է, որ կարբոնատացման գործընթացը բարելավելու համար անհրաժեշտ է մասնիկների մեծ մակերես՝ առանց պասիվացնող շերտերի։
Պինդ մասնիկի փոքրացող, չարձագանքած միջուկը շրջապատող՝ գնալով ավելի հաստ և խիտ կարբոնատային շերտի առաջացումը ստեղծում է արագությունը սահմանափակող երեք փուլ.
- օքսիդների/ սիլիկատների հիդրատացում,
- կատիոնների տարրալվացում և
- դիֆուզիա դեպի ռեակցիայի գոտի։
Նանոմասնիկների «ներքևից վերև» սինթեզ՝ UP400St ուլտրաձայնային սարքի կիրառմամբ
Լուծում. ուլտրաձայնային կարբոնատացում
Բելգիայի Լյովենի կաթոլիկ համալսարանի հետազոտական խմբի համաձայն՝ «ապացուցվել է, որ ուլտրաձայնը հանքային կարբոնատացման գործընթացների ինտենսիվացման համար հնարավոր օգտակար գործիք է։ Բարելավված խառնման, մասնիկների կոտրատման և կալցիումի կարբոնատի պասիվացնող շերտերի հեռացման շնորհիվ հնարավոր եղավ արագացնել ռեակցիայի կինետիկան և ավելի կարճ ժամանակում հասնել կարբոնատացման ավելի մեծ աստիճանի։ Ավելին, լուծույթում մագնեզիումի իոնների հետ համակցված՝ ուլտրաձայնը զգալիորեն ուժեղացնում է արագոնիտի բյուրեղների սինթեզը՝ նվազեցնելով և՛ մագնեզիումի պահանջվող կոնցենտրացիան, և՛ ռեակցիայի ջերմաստիճանը՝ այն մոտեցնելով շրջակա միջավայրի պայմաններին»։
[Santos et al. 2011, p.114]
Առավելությունները՝ մեկ հայացքով.
- մանր մասնիկների չափերի բաշխում՝ ուլտրաձայնային խառնման, դեագլոմերացման և աղացման միջոցով
- ուլտրաձայնը հեռացնում է պասիվացնող շերտերը
- ուլտրաձայնը արագացնում է ռեակցիայի կինետիկան
- ուլտրաձայնը նվազեցնում է հիմնայնությունը
- գործընթացի ուլտրաձայնային ինտենսիվացում. ավելի բարձր ելք, ավելի արագ ռեակցիա
Ուլտրաձայնի ազդեցությունները հանքային կարբոնատացման վրա։ [Santos et al. 2013]
Սեղանի ուլտրաձայնային սարք՝ UIP1000hdT, մասնիկների թաց աղացման և դիսպերսման համար
Մասնիկների ուլտրաձայնային մշակում
Ուլտրաձայնային մշակումը մասնիկների կախույթների մշակման հզոր գործիք է։ Ինտենսիվ ուլտրաձայնային ուժերը հեղուկներում առաջացնում են մեխանիկական տատանումներ և ուժեղ կավիտացիա։ Մեծ լարումներ առաջացնող այս ուժերը կարող են քայքայել ագլոմերատները և նույնիսկ առաջնային մասնիկները, ուստի բարձր հզորության/ ցածր հաճախականության ուլտրաձայնը հուսալի մեթոդ է աղացման, դեագլոմերացման և դիսպերսման կիրառությունների համար։
Կալցիումի օքսիդի սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակային (SEM) պատկերները սկզբնական վիճակում (a) և 10 րոպե ուլտրաձայնային մշակումից հետո (b)։ [Santos et al. 2012]
Կախույթների կարբոնատացման գործընթացի ընթացքում ուլտրաձայնային աղացումն առաջացնում է մակերեսի մեծ մակերեսով փոքր մասնիկներ։ Բացի մասնիկների մանրատումից, ուլտրաձայնային մշակումը նաև հեռացնում է մասնիկների մակերեսի նստվածքները, օրինակ՝ կարբոնատացված թաղանթները կամ մատրիցի սպառված շերտերը, որոնք շրջապատում են մասնիկի չարձագանքած միջուկը։ Պասիվացնող շերտերը հեռացնելիս դիֆուզիոն սահմանափակումները նվազում են, իսկ չարձագանքած նյութը հասանելի է դառնում ջրային փուլին։ Այդպիսով, ուլտրաձայնային մշակումը կարող է մեծացնել կարբոնատացման փոխարկման աստիճանը և արագացնել գործընթացի կինետիկան՝ ապահովելով ավելի բարձր ելքեր և ավելի արագ ռեակցիա։
Ուլտրաձայնի ազդեցությունները մասնիկների վրա [Santos et al. 2011]
UIP16000 – ամենահզոր ուլտրաձայնային ծանր պայմաններում աշխատանքի համար նախատեսված ուլտրաձայնային սարք՝ UIP16000 (16kW)
Գրականություն/հղումներ
- Santos, Rafael M.; Francois, Davy; Mertens, Gilles; Elsen, Jan; Van Gerven, Tom (2013): Ultrasound-intensified mineral carbonation. Applied Thermal Engineering Vol. 57, Issues 1–2, 2013. 154–163.
- Santos, Rafael M.; Ceulemans, Pieter; Van Gerven, Tom (2012): Synthesis of pure aragonite by sonochemical mineral carbonation. Chemical Engineering Research & Design, 90/ 6, 2012. 715-725.
- Santos, Rafael M.; Ceulemans, Pieter; Francois, Davy; Van Gerven, Tom (2011): Ultrasound-Enhanced Mineral Carbonation. IChemE 2011.
Կարբոնատացման հումք
Կարբոնատացման հումքը կարող է լինել առաջնային կամ թափոնային նյութ։ Ածխածնի կապակցման նյութերի համար օգտագործվող բնորոշ առաջնային հումքը ներառում է այնպիսի հանքանյութեր, ինչպիսիք են օլիվինը՝ (Mg, Fe)2SiO4, սերպենտինը՝ (Mg, Fe)3Si2O5(OH)4, և վոլաստոնիտը՝ CaSiO3։
Թափոնային նյութերը ներառում են պողպատարտադրության խարամներ, կարմիր գիպս, թափոնային մոխիրներ, թղթի գործարանի թափոններ, ցեմենտի վառարանի փոշի և հանքարդյունաբերական թափոններ։ Արդյունաբերական այս կողմնակի արտադրանքներն ու թափոնները կարող են օգտագործվել կարբոնատացման համար՝ դրանց բաղադրության մեջ հիմնային օքսիդների, հիդրօքսիդների կամ սիլիկատների առկայության շնորհիվ։