Karbonatyzacja minerałów wspomagana ultradźwiękami

Karbonatyzacja minerałów to reakcja dwutlenku węgla z minerałami o charakterze zasadowym, takimi jak tlenek wapnia lub magnezu. Karbonatyzację minerałów wykorzystuje się do przemysłowej produkcji cząstek stałych w przemyśle farmaceutycznym, polimerowym i nawozowym, a także do sekwestracji dwutlenku węgla w materiałach o charakterze zasadowym. Obróbka cząstek ultradźwiękami dużej mocy okazała się skutecznym sposobem intensyfikacji procesu, prowadzącym do wyższego stopnia konwersji w procesie karbonatyzacji i większej szybkości reakcji.

Karbonatyzacja minerałów: proces i ograniczenia

Materiały naturalne i odpadowe poddaje się karbonatyzacji dzięki obecności w ich składzie zasadowych tlenków, wodorotlenków lub krzemianów. Proces karbonatyzacji składa się z następujących etapów reakcji:

Aby reakcja karbonatyzacji mogła zachodzić, cząstki muszą być dostępne dla reagentów. Oznacza to, że usprawnienie procesu karbonatyzacji wymaga dużej powierzchni cząstek pozbawionej warstw pasywujących.
Tworzenie się coraz grubszej i bardziej zwartej warstwy węglanowej wokół kurczącego się, nieprzereagowanego rdzenia cząstki stałej powoduje, że trzy etapy ograniczają szybkość procesu:

• hydratacja tlenków/ krzemianów;
• ługowanie kationów; oraz
• dyfuzja do strefy reakcji.

Aby usprawnić proces karbonatyzacji, należy przezwyciężyć te ograniczenia za pomocą technologii wspomagającej proces. Ultradźwięki dużej mocy z powodzeniem zastosowano jako technologię intensyfikacji procesu, zwiększającą szybkość karbonatyzacji i szybkość reakcji.

Rozwiązanie: karbonatyzacja ultradźwiękowa

Jak stwierdził zespół badawczy z Katholieke Universiteit Leuven w Belgii, „wykazano, że ultradźwięki są potencjalnie użytecznym narzędziem do intensyfikacji procesów karbonatyzacji minerałów. Dzięki lepszemu mieszaniu, rozdrabnianiu cząstek i usuwaniu pasywujących warstw węglanu wapnia możliwe było przyspieszenie kinetyki reakcji i osiągnięcie wyższego stopnia karbonatyzacji w krótszym czasie. Ponadto, w połączeniu z jonami magnezu w roztworze, ultradźwięki znacząco wspomagają syntezę kryształów aragonitu, zarówno poprzez obniżenie wymaganego stężenia magnezu, jak i obniżenie temperatury reakcji do wartości zbliżonej do temperatury otoczenia.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Najważniejsze korzyści:

• rozkład wielkości drobnych cząstek uzyskiwany dzięki ultradźwiękowemu mieszaniu, deaglomeracji i mieleniu
• ultradźwięki usuwają warstwy pasywujące
• ultradźwięki przyspieszają kinetykę reakcji
• ultradźwięki zmniejszają zasadowość
• ultradźwiękowa intensyfikacja procesu: wyższa wydajność, szybsza reakcja

Ultradźwiękowa obróbka cząstek

Sonikacja jest skutecznym narzędziem do obróbki zawiesin cząstek. Intensywne siły ultradźwiękowe wywołują drgania mechaniczne i silną kawitację w cieczach. Te siły powodujące duże naprężenia mogą rozbijać aglomeraty, a nawet cząstki pierwotne, dzięki czemu ultradźwięki dużej mocy/ o niskiej częstotliwości są niezawodną metodą stosowaną do mielenia, deaglomeracji i dyspergowania cząstek.

Mielenie ultradźwiękowe podczas procesu karbonatyzacji zawiesin prowadzi do powstawania małych cząstek o dużej powierzchni. Oprócz rozdrabniania cząstek sonikacja usuwa również osady z ich powierzchni, takie jak powłoki węglanowe lub zubożone warstwy matrycy otaczające nieprzereagowany rdzeń cząstki. Usuwanie warstw pasywujących zmniejsza ograniczenia dyfuzyjne i zapewnia kontakt nieprzereagowanego materiału z fazą wodną. W ten sposób sonikacja może zwiększyć stopień konwersji w procesie karbonatyzacji i przyspieszyć kinetykę procesu – prowadząc do wyższej wydajności i szybszej reakcji.