초음파로 강화한 광물 탄산화

광물 탄산화는 이산화탄소가 산화칼슘이나 산화마그네슘과 같은 알칼리성 광물과 반응하는 것입니다. 광물 탄산화는 제약, 고분자 및 비료 산업에서 고체 입자를 산업적으로 생산하는 데 사용되며, 알칼리성 물질에 이산화탄소를 격리하는 데도 사용됩니다. 고출력 초음파를 이용한 입자 처리는 탄산화 전환율을 높이고 반응 속도를 가속하는 성공적인 공정 강화 수단으로 확인되었습니다.

광물 탄산화: 공정과 한계

천연 재료와 폐기물은 구성 성분에 알칼리성 산화물, 수산화물 또는 규산염을 함유하고 있어 탄산화됩니다. 탄산화 공정은 다음과 같은 반응 단계로 구성됩니다:

광물 탄산화의 단계

탄산화 반응이 일어나려면 시약이 입자에 접근할 수 있어야 합니다. 즉, 탄산화 공정을 개선하려면 부동태층이 없는 넓은 입자 표면적이 필요합니다.
고체 입자의 미반응 핵이 줄어들면서 그 주위에 점점 더 두껍고 치밀한 탄산염층이 형성되어 다음 세 가지 속도 제한 단계가 발생합니다:

• 산화물/규산염의 수화;
• 양이온의 용출; 그리고
• 반응 영역으로의 확산.

해결책: 초음파 탄산화

벨기에 루벤 가톨릭 대학교 연구진에 따르면, “초음파는 광물 탄산화 공정을 강화하는 데 잠재적으로 유용한 도구임이 입증되었습니다. 혼합 개선, 입자 파쇄 및 탄산칼슘 부동태층 제거를 통해 반응 속도를 높이고 더 짧은 시간에 더 높은 탄산화도를 달성할 수 있었습니다. 또한 용액 내 마그네슘 이온과 함께 사용하면, 초음파는 필요한 마그네슘 농도를 낮추고 반응 온도를 주변 환경 조건에 가깝게 낮춤으로써 아라고나이트 결정의 합성을 크게 촉진합니다.”
[Santos et al. 2011, p.114]

장점 한눈에 보기:

• 초음파 혼합, 응집 해체 및 분쇄를 통한 미세한 입도 분포
• 초음파는 부동태층을 제거합니다
• 초음파는 반응 속도를 높입니다
• 초음파는 염기성을 낮춥니다
• 초음파 공정 강화: 더 높은 수율, 더 빠른 반응

광물 탄산화에 대한 초음파의 효과. [Santos et al. 2013]

초음파 입자 처리

초음파 처리는 입자 슬러리를 처리하는 강력한 도구입니다. 강력한 초음파 힘은 액체 내에 기계적 진동과 강한 캐비테이션을 발생시킵니다. 이러한 높은 응력은 응집체뿐 아니라 일차 입자까지도 파쇄할 수 있으므로, 고출력/저주파 초음파는 분쇄, 응집 해체 및 분산 용도에 신뢰할 수 있는 방법입니다.

산화칼슘의 초기 상태(a)와 10분간 초음파 처리한 후(b)의 SEM 사진. [Santos et al. 2012]

슬러리의 탄산화 공정 중 초음파 분쇄는 표면적이 큰 작은 입자를 생성합니다. 초음파 처리는 입자를 파쇄할 뿐 아니라 미반응 입자 핵을 둘러싼 탄산화된 껍질이나 성분이 고갈된 매트릭스층과 같은 입자 표면의 침착물도 제거합니다. 부동태층을 제거하면 확산 제한이 줄어들고 미반응 물질이 수상에 노출됩니다. 이에 따라 초음파 처리는 탄산화 전환율과 공정 속도를 높여 더 높은 수율과 더 빠른 반응을 달성할 수 있습니다.

입자에 대한 초음파의 효과 [Santos et al. 2011]