超音波による鉱物炭酸化の促進

鉱物炭酸化とは、二酸化炭素と、酸化カルシウムや酸化マグネシウムなどのアルカリ性鉱物との反応です。鉱物炭酸化は、製薬、ポリマー、肥料産業における固体粒子の工業的生産や、アルカリ性材料への二酸化炭素の固定に利用されています。高出力超音波による粒子処理は、炭酸化転化率を高め、反応速度を速めるプロセス強化の有効な手段であることが確認されています。

鉱物炭酸化：プロセスと制約

炭酸化では、天然材料や廃棄材料の組成中にアルカリ性の酸化物、水酸化物、ケイ酸塩が存在することを利用して、これらの材料を炭酸化します。炭酸化プロセスは、以下の反応段階から構成されます：

鉱物炭酸化の段階

炭酸化反応には、粒子が反応剤と接触できる状態にある必要があります。つまり、炭酸化プロセスを改善するには、不動態化層のない大きな粒子表面積が必要です。
固体粒子の未反応核が縮小し、その周囲にますます厚く緻密な炭酸塩層が形成されることで、次の三つの段階が律速となります：

• 酸化物／ケイ酸塩の水和；
• 陽イオンの溶出；および
• 反応領域への拡散。

解決策：超音波による炭酸化

ベルギーのルーヴェン・カトリック大学の研究グループは、次のように述べています。「超音波は、鉱物炭酸化プロセスの強化に有用となり得る手段であることが実証されています。混合の促進、粒子の破砕、炭酸カルシウムの不動態化層の除去により、反応動力学を促進し、より短時間でより高い炭酸化度を達成することができました。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低下させるとともに、反応温度を周囲温度に近い条件まで下げることにより、アラゴナイト結晶の合成を大幅に促進します。」
[Santos et al. 2011, p.114]

主な利点：

• 超音波による混合、解凝集、粉砕で得られる微細な粒子の粒度分布
• 超音波による不動態化層の除去
• 超音波による反応動力学の促進
• 超音波による塩基性の低下
• 超音波によるプロセス強化：収率の向上、反応の高速化

鉱物炭酸化に対する超音波の効果。 [Santos et al. 2013]

超音波による粒子処理

超音波処理は、粒子スラリーを処理するための強力な手段です。強い超音波力は、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、凝集体だけでなく一次粒子さえも破砕できるため、高出力・低周波の超音波は、 粉砕, 解凝集 および 分散 の用途に適した信頼性の高い方法です。

処理前（a）および10分間の超音波処理後（b）の酸化カルシウムのSEM画像。 [Santos et al. 2012]

スラリーの炭酸化プロセス中に行う超音波粉砕は、大きな表面積を持つ微小粒子を生成します。超音波処理は粒子を破砕するだけでなく、未反応の粒子核を取り囲む炭酸化した殻や成分が枯渇したマトリックス層など、粒子表面の堆積物も除去します。不動態化層を除去することで、拡散による制約が軽減され、未反応材料が水相に露出します。これにより、超音波処理は炭酸化転化率を高め、プロセスの反応動力学を促進することができ、収率の向上と反応の高速化につながります。

粒子に対する超音波の効果 [Santos et al. 2011]