Ultraskaņas uzlabota minerālu karbonizācija

Minerālu karbonizācija ir oglekļa dioksīda reakcija ar sārmainiem minerāliem, piemēram, kalciju vai magnija oksīdu. Minerālu karbonizāciju izmanto cieto daļiņu rūpnieciskai ražošanai farmācijas, polimēru un mēslošanas līdzekļu rūpniecībā, kā arī oglekļa dioksīda sekvestrācijai sārmainos materiālos. Daļiņu apstrāde ar jaudas ultraskaņu ir atzīts par veiksmīgu procesa intensifikācijas līdzekli, kā rezultātā palielinās oglekļa konversija un ātrāks reakcijas ātrums.

Minerālu karbonizācija: process un ierobežojumi

Karbonizācijai dabiskie un atkritumi tiek gāzēti, jo to sastāvā ir sārmu oksīdi, hidroksīdi vai silikāti. Karbonizācijas process sastāv no šādiem reakcijas soļiem:

Minerālu karbonizācijas soļi

Karbonizācijas reakcijai daļiņām jābūt pieejamām reaģentiem. Tas nozīmē, ka, lai uzlabotu karbonizācijas procesu, ir nepieciešama augsta daļiņu virsma bez pasivējošiem slāņiem.
Arvien biezāka un blīvāka karbonāta slāņa veidošanās, kas apņem cietās daļiņas sarūkošo nereaģējušo kodolu, rada trīs ātruma ierobežojošus soļus:

• oksīdu/ silikātu hidratācija;
• katjonu izskalošanās; un
• difūzija reakcijas zonā.

Lai uzlabotu karbonizācijas procesu, šie ierobežojumi ir jāpārvar ar procesu, kas palīdz tehnoloģijai. Lieljaudas ultraskaņa ir veiksmīgi izmantota kā procesa intensifikācijas tehnoloģija, kas uzlabo karbonizācijas ātrumu un reakcijas ātrumu.

Risinājums: ultraskaņas karbonizācija

Lēvenes Katholieke Universiteit (Beļģija) pētniecības grupa, “Ir pierādīts, ka ultraskaņa ir potenciāli noderīgs līdzeklis minerālu karbonizācijas procesu pastiprināšanai. Pateicoties pastiprinātai sajaukšanai, daļiņu lūzumam un kalcija karbonāta pasivējošo slāņu noņemšanai, bija iespējams paātrināt reakcijas kinētiku un sasniegt lielāku karbonizācijas pakāpi īsākos laikos. Turklāt kombinācijā ar magnija joniem šķīdumā ultraskaņa ievērojami uzlabo aragonīta kristālu sintēzi, gan samazinot nepieciešamo magnija koncentrāciju, gan samazinot reakcijas temperatūru līdz tuviem apkārtējās vides apstākļiem.”
[Santos et al. 2011, lpp.114]

Ieguvumi īsumā:

• smalku daļiņu izmēra sadalījums ar ultraskaņas sajaukšanu, deagglomerāciju & Malšanas
• ultraskaņa noņem pasivējošos slāņus
• ultraskaņa uzlabo reakcijas kinētiku
• Ultraskaņa samazina bāziskumu
• Ultraskaņas procesa intensifikācija: augstāka raža, ātrāka reakcija

Ultraskaņas ietekme uz minerālu karbonizāciju. [Santos et al. 2013]

Ultraskaņas daļiņu apstrāde

Ultraskaņas apstrāde ir spēcīgs līdzeklis daļiņu vircas ārstēšanai. Intensīvi ultraskaņas spēki rada mehānisku vibrāciju un spēcīgu kavitāciju šķidrumos. Šie augstie stresa spēki var salauzt aglomerātus un pat primārās daļiņas, tāpēc lieljaudas / zemas frekvences ultraskaņa ir uzticama metode Malšanas, deagglomerācija un Izkliedēt Lietojumprogrammas.

SEM attēli ar kalcija oksīdu sākotnēji (a) un pēc 10 minūšu ultraskaņas apstrādes (b). [Santos et al. 2012]

Ultraskaņas frēzēšana vircas karbonizācijas procesā rada mazas daļiņas ar lieliem virsmas laukumiem. Papildus daļiņu fragmenācijai ultraskaņas apstrāde arī noņem nogulsnējumus no daļiņu virsmas, piemēram, gāzētos apvalkus vai noplicinātus matricas slāņus, kas ieskauj nereaģējušo daļiņu kodolu. Noņemot pasivējošos slāņus, difūzijas ierobežojumi tiek samazināti un nereaģējušais materiāls tiek pakļauts ūdens fāzei. Tādējādi ultraskaņas apstrāde var palielināt karbonizācijas konversiju un procesa kinētiku, kā rezultātā rodas augstāka raža un ātrāka reakcija.

Ultraskaņas ietekme uz daļiņām [Santos et al. 2011]