Minerale carbonatatie versterkt door ultrasoon geluid

Minerale carbonatatie is de reactie van koolstofdioxide met alkalische mineralen zoals calciumoxide of magnesiumoxide. Minerale carbonatatie wordt gebruikt voor de industriële productie van vaste deeltjes in de farmaceutische, polymeer- en meststoffenindustrie en voor de vastlegging van koolstofdioxide in alkalische materialen. De behandeling van deeltjes met hoogvermogenultrasoon geluid is een succesvol middel voor procesintensivering gebleken, dat resulteert in een hogere carbonatatieomzetting en een hogere reactiesnelheid.

Minerale carbonatatie: proces en beperkingen

Bij carbonatatie worden natuurlijke materialen en afvalmaterialen gecarbonateerd doordat hun samenstelling alkalische oxiden, hydroxiden of silicaten bevat. Het carbonatatieproces bestaat uit de volgende reactiestappen:

Voor de carbonatatiereactie moeten de deeltjes toegankelijk zijn voor de reagentia. Dit betekent dat een groot deeltjesoppervlak zonder passiverende lagen vereist is om het carbonatatieproces te verbeteren.
De vorming van een steeds dikkere en dichtere carbonaatlaag rond de krimpende, niet-gereageerde kern van het vaste deeltje leidt tot drie snelheidsbepalende stappen:

• hydratatie van oxiden/ silicaten;
• uitloging van kationen; en
• diffusie naar de reactiezone.

Om het carbonatatieproces te verbeteren, moeten deze beperkingen worden overwonnen met een technologie die het proces ondersteunt. Hoogvermogenultrasoon geluid is met succes toegepast als technologie voor procesintensivering die de carbonatatiesnelheid en de reactiesnelheid verhoogt.

Oplossing: ultrasone carbonatatie

Volgens de onderzoeksgroep van de Katholieke Universiteit Leuven in België is “aangetoond dat ultrasoon geluid een potentieel nuttig hulpmiddel is voor de intensivering van minerale carbonatatieprocessen. Door verbeterde menging, het breken van deeltjes en het verwijderen van passiverende calciumcarbonaatlagen was het mogelijk de reactiekinetiek te versnellen en in kortere tijd een hogere carbonatatiegraad te bereiken. Bovendien bevordert ultrasoon geluid, in combinatie met magnesiumionen in oplossing, de synthese van aragonietkristallen aanzienlijk, zowel door de vereiste magnesiumconcentratie te verlagen als door de reactietemperatuur te verlagen tot nabij de omgevingsomstandigheden.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Voordelen in één oogopslag:

• grootteverdeling van fijne deeltjes door ultrasoon mengen, deagglomeratie & malen
• ultrasoon geluid verwijdert passiverende lagen
• ultrasoon geluid verbetert de reactiekinetiek
• ultrasoon geluid verlaagt de basiciteit
• ultrasone procesintensivering: hogere opbrengst, snellere reactie

Ultrasone deeltjesbehandeling

Sonicatie is een krachtig hulpmiddel voor de behandeling van deeltjesslurries. Intense ultrasone krachten veroorzaken mechanische trillingen en sterke cavitatie in vloeistoffen. Deze krachten oefenen hoge spanningen uit en kunnen agglomeraten en zelfs primaire deeltjes breken, waardoor ultrasoon geluid met een hoog vermogen en een lage frequentie een betrouwbare methode is voor malen, deagglomeratie en dispergeren bij deze toepassingen.

Ultrasoon malen tijdens het carbonatatieproces van slurries creëert kleine deeltjes met grote oppervlakken. Naast de fragmentatie van deeltjes verwijdert sonicatie ook afzettingen van het deeltjesoppervlak, zoals gecarbonateerde schillen of uitgeputte matrixlagen die de niet-gereageerde deeltjeskern omgeven. Door de passiverende lagen te verwijderen, worden diffusiebeperkingen verminderd en wordt niet-gereageerd materiaal blootgesteld aan de waterige fase. Daardoor kan sonicatie de carbonatatieomzetting en de proceskinetiek verhogen – wat resulteert in hogere opbrengsten en een snellere reactie.