Ar ultraskaņu uzlabota minerālu karbonatizācija

Minerālu karbonatizācija ir oglekļa dioksīda reakcija ar sārmainiem minerāliem, piemēram, kalcija vai magnija oksīdu. Minerālu karbonatizāciju izmanto cieto daļiņu rūpnieciskai ražošanai farmācijas, polimēru un mēslošanas līdzekļu rūpniecībā, kā arī oglekļa dioksīda piesaistīšanai sārmainos materiālos. Ir konstatēts, ka daļiņu apstrāde ar lieljaudas ultraskaņu ir efektīvs procesa intensifikācijas līdzeklis, kas nodrošina augstāku karbonatizācijas konversijas pakāpi un lielāku reakcijas ātrumu.

Minerālu karbonatizācija: process un ierobežojumi

Dabīgos materiālus un atkritumu materiālus var karbonatizēt, jo to sastāvā ir sārmaini oksīdi, hidroksīdi vai silikāti. Karbonatizācijas process sastāv no šādiem reakcijas posmiem:

Lai notiktu karbonatizācijas reakcija, daļiņām jābūt pieejamām reaģentiem. Tas nozīmē, ka karbonatizācijas procesa uzlabošanai nepieciešams liels daļiņu virsmas laukums bez pasivējošiem slāņiem.
Arvien biezāka un blīvāka karbonātu slāņa veidošanās ap cietās daļiņas sarūkošo, neizreaģējušo kodolu rada trīs reakcijas ātrumu ierobežojošus posmus:

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

Lai uzlabotu karbonatizācijas procesu, šie ierobežojumi jāpārvar ar procesu veicinošu tehnoloģiju. Lieljaudas ultraskaņa ir veiksmīgi izmantota kā procesa intensifikācijas tehnoloģija, kas palielina karbonatizācijas ātrumu un reakcijas ātrumu.

Risinājums: karbonatizācija ar ultraskaņu

Beļģijas Katholieke Universiteit Leuven pētnieku grupa norāda: “Ir pierādīts, ka ultraskaņa ir potenciāli noderīgs līdzeklis minerālu karbonatizācijas procesu intensifikācijai. Uzlabota sajaukšana, daļiņu sašķelšana un pasivējošo kalcija karbonāta slāņu noņemšana ļāva paātrināt reakcijas kinētiku un īsākā laikā sasniegt lielāku karbonatizācijas pakāpi. Turklāt kombinācijā ar magnija joniem šķīdumā ultraskaņa ievērojami veicina aragonīta kristālu sintēzi, gan samazinot nepieciešamo magnija koncentrāciju, gan pazeminot reakcijas temperatūru līdz temperatūrai, kas ir tuva apkārtējās vides temperatūrai.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Priekšrocības īsumā:

• smalks daļiņu izmēru sadalījums, izmantojot sajaukšanu, deaglomerāciju un malšanu ar ultraskaņu
• ultraskaņa noņem pasivējošos slāņus
• ultraskaņa uzlabo reakcijas kinētiku
• ultraskaņa samazina bāziskumu
• procesa intensifikācija ar ultraskaņu: lielāks iznākums, ātrāka reakcija

Daļiņu apstrāde ar ultraskaņu

Apstrāde ar ultraskaņu ir efektīvs līdzeklis daļiņu suspensiju apstrādei. Intensīvi ultraskaņas spēki šķidrumos rada mehāniskas svārstības un spēcīgu kavitāciju. Šie lielie mehāniskās slodzes spēki var sašķelt aglomerātus un pat primārās daļiņas, tāpēc lielas jaudas/ zemas frekvences ultraskaņa ir uzticama metode malšanas, deaglomerācijas un disperģēšanas lietojumos.

Malšana ar ultraskaņu suspensiju karbonatizācijas procesā rada mazas daļiņas ar lielu virsmas laukumu. Papildus daļiņu sašķelšanai apstrāde ar ultraskaņu arī noņem nogulsnes no daļiņu virsmas, piemēram, karbonatizētus apvalkus vai noplicinātus matricas slāņus, kas ieskauj neizreaģējušo daļiņas kodolu. Noņemot pasivējošos slāņus, tiek samazināti difūzijas ierobežojumi un neizreaģējušais materiāls nonāk saskarē ar ūdens fāzi. Tādējādi apstrāde ar ultraskaņu var palielināt karbonatizācijas konversijas pakāpi un paātrināt procesa kinētiku – nodrošinot lielāku iznākumu un ātrāku reakciju.