Ultrageluidondersteunde minerale carbonatatie

Minerale carbonatatie is de reactie van koolstofdioxide met alkalische mineralen zoals calcium- of magnesiumoxide. Minerale carbonatatie wordt gebruikt voor de industriële productie van vaste deeltjes in de farmaceutische, polymeer- en kunstmestindustrie en voor kooldioxideopslag in alkalische materialen. Behandeling van deeltjes met ultrageluid is een succesvolle manier gebleken om het proces te intensiveren, wat resulteert in een hogere carbonatatieconversie en een snellere reactiesnelheid.

Minerale carbonatatie: Proces en beperkingen

Voor carbonatatie worden natuurlijke en afvalmaterialen gecarbonateerd door de aanwezigheid van alkalische oxiden, hydroxiden of silicaten in hun samenstelling. Het carbonatatieproces bestaat uit de volgende reactiestappen:

Stappen van minerale carbonatatie

Voor de carbonatatiereactie moeten de deeltjes beschikbaar zijn voor de reagentia. Dit betekent dat een hoog deeltjesoppervlak zonder passiverende lagen nodig is om het carbonatieproces te verbeteren.
De vorming van een steeds dikkere en dichtere carbonaatlaag rondom de krimpende ongereageerde kern van het vaste deeltje creëert drie snelheidsbeperkende stappen:

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

Om het carbonatatieproces te verbeteren, moeten deze beperkingen worden overwonnen door een procesondersteunende technologie. Ultrageluid met hoog vermogen is met succes toegepast als procesintensiveringstechnologie om de carbonatatiesnelheid en de reactiesnelheid te verhogen.

Oplossing: Ultrasone carbonatatie

Door de onderzoeksgroep van de Katholieke Universiteit Leuven in België, “Ultrasoon geluid is een potentieel nuttig hulpmiddel gebleken voor het intensiveren van minerale carbonatieprocessen. Door verbeterde menging, deeltjesbreuk en verwijdering van passiverende lagen van calciumcarbonaat was het mogelijk om de reactiekinetiek te versnellen en een grotere carbonatatiegraad te bereiken in kortere tijd. Bovendien verbetert ultrageluid, in combinatie met magnesiumionen in oplossing, de synthese van aragonietkristallen aanzienlijk, zowel door het verlagen van de benodigde magnesiumconcentratie als door het verlagen van de reactietemperatuur tot bijna omgevingscondities.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Voordelen in een oogopslag:

• fijne deeltjesgrootteverdeling door ultrasoon mengen, deagglomeratie & frezen
• ultrageluid verwijdert passiveerlagen
• ultrageluid verbetert reactiekinetiek
• Echografie vermindert de basiciteit
• ultrasone procesintensivering: hogere opbrengst, snellere reactie

Ultrasone effecten op minerale carbonatatie. [Santos et al. 2013]

ultrasone deeltjesbehandeling

Sonificatie is een krachtig hulpmiddel om slurries met deeltjes te behandelen. Intense ultrasone krachten creëren mechanische trillingen en sterke cavitatie in vloeistoffen. Deze hoge spanningskrachten kunnen agglomeraten en zelfs primaire deeltjes breken, zodat ultrasoon geluid met hoog vermogen en lage frequentie een betrouwbare methode is voor frezen, deagglomeratie en Verspreiden toepassingen.

SEM-foto's van calciumoxide initieel (a) en na 10 minuten sonicatie (b). [Santos et al. 2012]

Het ultrasone malen tijdens het carbonatatieproces van slurries creëert kleine deeltjes met een groot oppervlak. Naast het fragmenteren van de deeltjes, verwijdert sonificatie ook afzettingen van het deeltjesoppervlak, zoals koolzuurschillen of verarmde matrixlagen die de niet-gereageerde deeltjeskern omgeven. Door de passiverende lagen te verwijderen, worden diffusiebeperkingen verminderd en wordt niet-gereageerd materiaal blootgesteld aan de waterfase. Hierdoor kan sonicatie de carbonatatieconversie en de proceskinetiek verhogen, wat resulteert in hogere opbrengsten en een snellere reactie.

Ultrasone effecten op deeltjes [Santos et al. 2011]