Carbonatazione minerale potenziata dagli ultrasuoni

La carbonatazione minerale è la reazione dell’anidride carbonica con minerali alcalini quali l’ossido di calcio o di magnesio. La carbonatazione minerale viene utilizzata per la produzione industriale di particelle solide nei settori farmaceutico, dei polimeri e dei fertilizzanti, nonché per il sequestro dell’anidride carbonica in materiali alcalini. Il trattamento delle particelle con ultrasuoni di potenza si è dimostrato un mezzo efficace per l’intensificazione del processo, consentendo una maggiore conversione di carbonatazione e una maggiore velocità di reazione.

Carbonatazione minerale: processo e limitazioni

I materiali naturali e di scarto vengono sottoposti a carbonatazione grazie alla presenza di ossidi, idrossidi o silicati alcalini nella loro composizione. Il processo di carbonatazione consiste nelle seguenti fasi di reazione:

Per la reazione di carbonatazione, le particelle devono essere accessibili ai reagenti. Ciò significa che, per migliorare il processo di carbonatazione, è necessaria un’elevata superficie delle particelle priva di strati passivanti.
La formazione di uno strato di carbonato sempre più spesso e denso attorno al nucleo non reagito della particella solida, che si riduce progressivamente, determina tre fasi che limitano la velocità della reazione:

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

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

Soluzione: carbonatazione a ultrasuoni

Secondo il gruppo di ricerca della Katholieke Universiteit Leuven in Belgio, “gli ultrasuoni si sono dimostrati uno strumento potenzialmente utile per l’intensificazione dei processi di carbonatazione minerale. Grazie al miglioramento della miscelazione, alla frantumazione delle particelle e alla rimozione degli strati passivanti di carbonato di calcio, è stato possibile accelerare la cinetica di reazione e ottenere un maggiore grado di carbonatazione in tempi più brevi. Inoltre, in combinazione con gli ioni di magnesio in soluzione, gli ultrasuoni favoriscono significativamente la sintesi di cristalli di aragonite, sia riducendo la concentrazione di magnesio necessaria sia abbassando la temperatura di reazione fino a condizioni prossime a quelle ambientali.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Vantaggi in sintesi:

• distribuzione dimensionale di particelle fini mediante miscelazione, deagglomerazione e macinazione a ultrasuoni
• gli ultrasuoni rimuovono gli strati passivanti
• gli ultrasuoni migliorano la cinetica di reazione
• gli ultrasuoni riducono la basicità
• intensificazione del processo mediante ultrasuoni: maggiore resa, reazione più rapida

Trattamento delle particelle a ultrasuoni

La sonicazione è uno strumento potente per trattare sospensioni di particelle. Le intense forze ultrasoniche generano vibrazioni meccaniche e una forte cavitazione nei liquidi. Queste forze, che producono elevate sollecitazioni, possono rompere gli agglomerati e persino le particelle primarie, rendendo gli ultrasuoni ad alta potenza/ bassa frequenza un metodo affidabile per applicazioni di macinazione, deagglomerazione e dispersione .

La macinazione a ultrasuoni durante il processo di carbonatazione delle sospensioni genera particelle piccole con ampie superfici. Oltre a frammentare le particelle, la sonicazione rimuove anche i depositi dalla loro superficie, come i gusci carbonatati o gli strati impoveriti della matrice che circondano il nucleo non reagito della particella. La rimozione degli strati passivanti riduce le limitazioni alla diffusione ed espone il materiale non reagito alla fase acquosa. In questo modo, la sonicazione può aumentare la conversione di carbonatazione e accelerare la cinetica del processo – consentendo rese più elevate e una reazione più rapida.