超音波強化ミネラルカーボネーション

ミネラルカーボネーションは、二酸化炭素とカルシウムや酸化マグネシウムなどのアルカリ性ミネラルとの反応です。ミネラルカーボネーションは、製薬、ポリマー、肥料業界での固体粒子の工業生産や、アルカリ性材料での二酸化炭素隔離に使用されます。パワー超音波による粒子処理は、プロセス強化の成功した手段であり、その結果、より高い炭酸化変換とより速い反応速度が得られることがわかっています。

ミネラルカーボネーション:プロセスと制限

炭酸化のために、天然および廃棄物は、それらの組成中にアルカリ酸化物、水酸化物またはケイ酸塩が存在するために炭酸化される。炭酸化プロセスは、次の反応ステップで構成されています。

ミネラルカーボネーションのステップ

炭酸化反応では、粒子が試薬に利用可能でなければなりません。これは、炭酸化プロセスを改善するために、不動態化層のない高粒子表面が必要であることを意味します。
固体粒子の収縮する未反応のコアを取り囲むますます厚く高密度の炭酸塩層の形成は、3つの速度制限ステップを作成します。

• 酸化物/ケイ酸塩の水和;
• 陽イオンの浸出;そして
• 反応ゾーンへの拡散。

炭酸化プロセスを改善するためには、プロセス支援技術によってこれらの制限を克服する必要があります。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ます。

解決策:超音波炭酸化

ベルギーのルーヴェン・カトリック大学の研究グループにより、 “超音波は、ミネラルの炭酸化プロセスを強化するための潜在的に有用なツールであることが証明されています。混合、粒子の破損、および炭酸カルシウムの不動態化層の除去が強化されたため、反応速度を加速し、より短い時間でより大きな炭酸化範囲を達成することが可能でした。さらに、溶液中のマグネシウムイオンと組み合わせて、超音波は、マグネシウムの必要濃度を低下させ、反応温度を周囲条件に近い状態に低下させることにより、アラゴナイト結晶の合成を大幅に強化します。”
[Santos et al. 2011, p.114]

さまざまな利点:

• 超音波混合、解凝集による微粒子度分布 & 製粉
• 超音波は不動態化層を除去します
• 超音波は反応速度を向上させます
• 超音波は塩基性を低下させます
• 超音波プロセスの強化:より高い収率、より速い反応

ミネラル炭酸化に対する超音波効果。[Santos et al. 2013]

超音波粒子治療

超音波処理は、粒子スラリーを治療するための強力なツールです。強い超音波力は、液体中に機械的な振動と強いキャビテーションを引き起こします。これらの高い応力力は、凝集体や一次粒子さえも破壊する可能性があるため、高出力/低周波超音波は信頼性の高い方法です。 製粉, 解凝集 そして 分散 アプリケーション。

酸化カルシウムのSEM写真は、最初に(a)と超音波処理の10分後(b)です。[Santos et al. 2012]

スラリーの炭酸化プロセス中の超音波粉砕は、大きな表面積を持つ小さな粒子を作り出します。粒子の破砕に加えて、超音波処理は、未反応の粒子コアを囲む炭酸シェルまたは枯渇したマトリックス層などの粒子表面からの沈着物も除去します。不動態化層を除去することにより、拡散制限が減少し、未反応の材料が水相にさらされます。それにより、超音波処理は炭酸化変換およびプロセス速度論を増加させることができ、その結果、より高い収率およびより速い反応をもたらすことができる。

粒子に対する超音波効果 [Santos et al. 2011]