Carbonatazione minerale potenziata dagli ultrasuoni

La carbonatazione minerale è la reazione dell'anidride carbonica con minerali alcalini come l'ossido di calcio o di magnesio. La carbonatazione minerale è utilizzata per la produzione industriale di particelle solide nell'industria farmaceutica, dei polimeri e dei fertilizzanti, nonché per il sequestro dell'anidride carbonica nei materiali alcalini. Il trattamento delle particelle mediante ultrasuoni di potenza si è rivelato un mezzo efficace per intensificare il processo, ottenendo una conversione di carbonatazione più elevata e una maggiore velocità di reazione.

Carbonatazione minerale: Processo e limiti

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

Fasi della 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 un'elevata superficie delle particelle senza strati passivanti.
La formazione di uno strato di carbonato sempre più spesso e denso che circonda il nucleo non reagito della particella solida crea tre fasi di limitazione della velocità:

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

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

Soluzione: Carbonatazione a ultrasuoni

Dal gruppo di ricerca della Katholieke Universiteit Leuven in Belgio, “Gli ultrasuoni si sono dimostrati uno strumento potenzialmente utile per intensificare i processi di carbonatazione minerale. Grazie al miglioramento della 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 ioni magnesio in soluzione, gli ultrasuoni migliorano significativamente la sintesi di cristalli di aragonite, sia riducendo la concentrazione necessaria di magnesio sia riducendo la temperatura di reazione a condizioni prossime a quelle ambientali.”
[Santos et al. 2011, p.114].

I vantaggi in sintesi:

• distribuzione granulometrica fine mediante miscelazione ad ultrasuoni, deagglomerazione & fresatura
• Gli ultrasuoni rimuovono gli strati passivanti
• Gli ultrasuoni migliorano la cinetica di reazione
• gli ultrasuoni riducono la basicità
• intensificazione del processo a ultrasuoni: maggiore resa, reazione più rapida

Effetti degli ultrasuoni sulla carbonatazione minerale. [Santos et al. 2013]

trattamento delle particelle a ultrasuoni

La sonicazione è uno strumento potente per trattare gli impasti particellari. Le intense forze ultrasoniche creano vibrazioni meccaniche e una forte cavitazione nei liquidi. Queste forze di stress elevato possono rompere gli agglomerati e persino le particelle primarie, per cui gli ultrasuoni ad alta potenza/bassa frequenza sono un metodo affidabile per il trattamento dei fanghi. fresatura, deagglomerazione e la dispersione applicazioni.

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

La macinazione a ultrasuoni durante il processo di carbonatazione degli impasti crea piccole particelle con grandi aree superficiali. Oltre alla frammentazione delle particelle, la sonicazione rimuove anche i depositi dalla superficie delle particelle, come i gusci carbonizzati o gli strati di matrice impoverita che circondano il nucleo delle particelle non reagite. Rimuovendo gli strati passivanti, si riducono le limitazioni alla diffusione e il materiale non reagito viene esposto alla fase acquosa. In questo modo, la sonicazione può aumentare la conversione della carbonatazione e la cinetica del processo, ottenendo rese più elevate e una reazione più rapida.

Effetti degli ultrasuoni sulle particelle [Santos et al. 2011].