超音波によるミネラル炭酸化

炭酸化とは、炭酸ガスと酸化カルシウムや酸化マグネシウムなどのアルカリ鉱物を反応させることである。鉱物の炭酸化は、製薬、ポリマー、肥料産業における固体粒子の工業的製造や、アルカリ性物質における二酸化炭素の隔離に使用されています。パワー超音波による粒子処理は、より高い炭酸化転換率とより速い反応速度をもたらすプロセス強化の成功手段であることが判明している。

ミネラル炭酸化：プロセスと限界

炭酸化には、アルカリ性の酸化物、水酸化物、珪酸塩が含まれているため、天然物質や廃棄物を炭酸化する。炭酸化プロセスは以下の反応ステップからなる：

ミネラル炭酸のステップ

炭酸化反応のためには、粒子が試薬のために利用可能でなければならない。つまり、炭酸化プロセスを改善するためには、不動態化層のない高い粒子表面が必要となる。
収縮する未反応の固体粒子の核を取り囲む、ますます厚く高密度の炭酸塩層の形成により、3つの速度制限ステップが生じる：

• 酸化物/ケイ酸塩の水和；
• 陽イオンの溶出
• 反応領域への拡散。

炭酸化プロセスを改善するためには、プロセス補助技術によってこれらの制約を克服する必要がある。高出力超音波は、炭酸化速度と反応速度を向上させるプロセス強化技術として成功裏に適用されている。

ソリューション超音波炭酸化

ベルギーのルーヴェン大聖堂大学の研究グループによるもの、 “超音波は、鉱物の炭酸化プロセスの強化に有用なツールであることが証明された。混合の促進、粒子の破壊、炭酸カルシウム不動態化層の除去により、反応速度論を加速し、より短時間でより大きな炭酸化範囲を達成することが可能であった。さらに、溶液中のマグネシウムイオンと組み合わせることで、超音波は必要なマグネシウム濃度を下げ、反応温度を常温近くまで下げることにより、アラゴナイト結晶の合成を著しく促進した。”
[サントス他2011年、p.114］。

一目でわかるメリット

• 超音波混合、脱凝集による微細粒度分布 & ミーリング
• 超音波でパッシベーション層を除去
• 超音波が反応速度を高める
• 超音波は塩基度を下げる
• 超音波によるプロセス強化: より高い収率、より速い反応

ミネラル炭酸化における超音波効果。[Santos et al.］

超音波粒子処理

ソニケーションは、粒子スラリーを処理する強力なツールです。強力な超音波力は、液体中に機械的振動と強力なキャビテーションを発生させます。これらの高い応力は、凝集体や一次粒子さえも破壊することができるため、ハイパワー/低周波超音波は次のような場合に信頼できる方法です。 ミーリング, デアグロメレーション そして 分散 アプリケーションを使用する。

酸化カルシウムの初期（a）と超音波処理10分後（b）のSEM写真。[Santos et al.］

スラリーの炭酸化プロセスにおける超音波粉砕は、大きな表面積を持つ小さな粒子を生成する。超音波粉砕は、粒子断片化の他に、未反応粒子コアを取り囲む炭酸化シェルや枯渇マトリックス層などの粒子表面からの沈殿物を除去する。不動態化層を除去することで、拡散の制限が減少し、未反応物質が水相に露出する。その結果、超音波処理によって炭酸化転化率とプロセス速度が向上し、高い収率と迅速な反応が実現する。

粒子への超音波効果 [Santos et al.］