초음파 강화 미네랄 탄산화

미네랄 탄산화는 이산화탄소와 칼슘 또는 산화마그네슘과 같은 알칼리성 미네랄의 반응입니다. 미네랄 탄산화는 제약, 폴리머 및 비료 산업에서 고체 입자의 산업 생산과 알칼리성 물질의 이산화탄소 격리에 사용됩니다. 전력 초음파에 의한 입자 처리는 더 높은 탄산화 변환과 더 빠른 반응 속도를 제공하는 성공적인 공정 강화 수단으로 밝혀졌습니다.

미네랄 탄산화 : 공정 및 한계

탄산화를 위해, 자연 및 폐기물 물질은 알칼리성 산화물, 수산화물 또는 규산염의 구성으로 인해 탄산됩니다. 탄산화 공정은 다음과 같은 반응 단계로 구성됩니다.

미네랄 탄산화 단계

탄산화 반응을 위해서는 입자를 시약에 사용할 수 있어야 합니다. 이는 탄산화 공정을 개선하기 위해 부동태화 층이 없는 높은 입자 표면이 필요하다는 것을 의미합니다.
고체 입자의 수축하는 미반응 코어를 둘러싸고 점점 더 두껍고 조밀한 탄산염 층의 형성은 세 가지 속도 제한 단계를 생성합니다.

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

탄산화 공정을 개선하려면 이러한 한계를 공정 보조 기술로 극복해야 합니다. 고출력 초음파는 탄산화 속도와 반응 속도를 향상시키는 공정 강화 기술로 성공적으로 적용되었습니다.

해결책 : 초음파 탄산화

벨기에 루벤 카톨리케 대학(Katholieke Universiteit Leuven)의 연구 그룹에서, “초음파는 미네랄 탄산화 공정의 강화에 잠재적으로 유용한 도구로 입증되었습니다. 향상된 혼합, 입자 파손 및 탄산칼슘 부동태화층 제거로 인해 반응 역학을 가속화하고 더 짧은 시간에 더 큰 탄산화 범위를 달성할 수 있었습니다. 또한, 용액 내 마그네슘 이온과 결합하여 초음파는 필요한 마그네슘 농도를 줄이고 반응 온도를 주변 조건에 가깝게 낮춤으로써 아라고나이트 결정의 합성을 크게 향상시킵니다.”
[산토스 외 2011, p.114]

한 눈에 보는 장점:

• 초음파 혼합에 의한 미세한 입자 크기 분포, 응집제거(deagglomeration) & 밀링
• 초음파는 부동태화 층을 제거합니다.
• 초음파는 반응 역학을 향상시킵니다.
• 초음파는 염기성을 감소시킵니다.
• 초음파 공정 강화: 더 높은 수율, 더 빠른 반응

미네랄 탄산화에 대한 초음파 효과. [산토스 외. 2013]

초음파 입자 처리

초음파 처리는 입자 슬러리를 처리하는 강력한 도구입니다. 강렬한 초음파력은 액체에서 기계적 진동과 강한 캐비테이션을 생성합니다. 이러한 높은 응력력은 응집체와 1차 입자를 파괴할 수 있으므로 고출력/저주파 초음파는 다음을 위한 신뢰할 수 있는 방법입니다. 밀링, 응집 해제 그리고 분산 응용 프로그램.

산화 칼슘의 SEM 사진은 처음에 (a) 및 10 분 후에 초음파 처리 (b). [산토스 외. 2012]

슬러리의 탄산화 과정에서 초음파 밀링은 표면적이 큰 작은 입자를 생성합니다. 입자 파편화 외에도 초음파 처리는 미반응 입자 코어를 둘러싸고 있는 탄산 껍질 또는 고갈된 매트릭스 층과 같은 입자 표면의 증착을 제거합니다. 부동태화 층을 제거함으로써 확산 제한이 감소하고 미반응 물질이 수성 단계에 노출됩니다. 따라서 초음파 처리는 탄산화 변환과 공정 역학을 증가시켜 더 높은 수율과 더 빠른 반응을 얻을 수 있습니다.

입자에 대한 초음파 효과 [Santos et al. 2011]