La carbonatazione minerale è la reazione dell'anidride carbonica con minerali alcalini come il calcio o l'ossido di magnesio. La carbonatazione minerale è utilizzata per la produzione industriale di particelle solide nell'industria farmaceutica, polimerica e dei fertilizzanti, nonché per il sequestro di anidride carbonica in materiali alcalini. Il trattamento delle particelle mediante ultrasuoni ad alta potenza è stato trovato un mezzo efficace per intensificare il processo, con conseguente maggiore conversione di carbonatazione e velocità di reazione più veloce.

Carbonatazione Minerale: Processo e limitazioni

Per la carbonatazione, i materiali naturali e di scarto sono carbonati a causa della presenza di ossidi alcalini, idrossidi o silicati nella loro composizione. Il processo di carbonatazione consiste nelle seguenti fasi di reazione:

Fasi di carbonatazione minerale

Per la reazione di carbonatazione, le particelle devono essere disponibili per i reagenti. Ciò significa che per migliorare il processo di carbonatazione è necessaria una superficie ad alta percentuale di particelle senza strati passivanti.
La formazione di uno strato di carbonato sempre più spesso e denso che circonda il nucleo della particella solida che si restringe e non reagisce, crea tre fasi che limitano la velocità:

• idratazione di ossidi/silicati;
• la lisciviazione dei cationi; e
• diffusione nella zona di reazione.

Per migliorare il processo di carbonatazione, queste limitazioni devono essere superate da una tecnologia di assistenza al processo. Gli ultrasuoni ad alta potenza sono stati applicati con successo come tecnologia di intensificazione di processo che aumenta il tasso di carbonatazione e la velocità di reazione.

Soluzione: Carbonatazione ultrasonica

Dal gruppo di ricerca della Katholieke Universiteit Leuven in Belgio, “gli ultrasuoni hanno dimostrato di essere uno strumento potenzialmente utile per l'intensificazione dei processi di carbonatazione minerale. Grazie ad una migliore miscelazione, alla rottura delle particelle e alla rimozione degli strati passivanti di carbonato di calcio, è stato possibile accelerare la cinetica di reazione e ottenere una maggiore carbonatazione in tempi più brevi. Inoltre, in combinazione con gli ioni di magnesio in soluzione, gli ultrasuoni migliorano significativamente la sintesi dei cristalli di aragonite, sia riducendo la concentrazione di magnesio richiesta, sia riducendo la temperatura di reazione in condizioni ambientali vicine.”
[Santos et al. 2011, p.114]

I vantaggi in sintesi:

• distribuzione granulometrica delle particelle fini mediante miscelazione ad ultrasuoni, deagglomerazione & Fresatura
• l'ultrasuono rimuove gli strati passivanti
• l'ultrasuono migliora la cinetica di reazione
• gli ultrasuoni riducono la basicità
• intensificazione del processo ad ultrasuoni: maggiore resa, reazione più rapida

Effetti ultrasonici sulla carbonatazione minerale. [Santos et al. 2013]

trattamento delle particelle ad ultrasuoni

L'sonicazione è un potente strumento per il trattamento dei residui di particelle. Intense forze ultrasoniche creano vibrazioni meccaniche e forte cavitazione nei liquidi. Queste elevate forze di stress possono rompere gli agglomerati e persino le particelle primarie, cosicché gli ultrasuoni ad alta potenza e a bassa frequenza sono un metodo affidabile per Fresatura, Deagglomerato e la dispersione applicazioni.

SEM immagini di ossido di calcio inizialmente (a) e dopo 10 minuti di sonicazione (b). [Santos et al. 2012]

La fresatura ad ultrasuoni durante il processo di carbonatazione dei fanghi crea piccole particelle con grandi superfici. Oltre alla frammentazione delle particelle, la sonicazione rimuove anche le deposizioni dalla superficie delle particelle, come i gusci carbonati o gli strati di matrice impoverita che circondano il nucleo delle particelle non reagite. Rimuovendo gli strati passivanti, le limitazioni di diffusione si riducono e il materiale non reagito viene esposto alla fase acquosa. In questo modo, la sonicazione può aumentare la conversione di carbonatazione e la cinetica di processo - con conseguente aumento dei rendimenti e una reazione più rapida.

Effetti ultrasonici sulle particelle [Santos et al. 2011].