Carbonatação mineral intensificada por ultrassons

A carbonatação mineral é a reação do dióxido de carbono com minerais alcalinos, como o óxido de cálcio ou de magnésio. A carbonatação mineral é utilizada para a produção industrial de partículas sólidas nas indústrias farmacêutica, dos polímeros e dos fertilizantes, bem como para o sequestro de dióxido de carbono em materiais alcalinos. O tratamento de partículas com ultrassons de potência revelou-se um meio eficaz de intensificação do processo, resultando numa maior conversão por carbonatação e numa reação mais rápida.

Carbonatação mineral: processo e limitações

Na carbonatação, os materiais naturais e os resíduos são carbonatados devido à presença de óxidos, hidróxidos ou silicatos alcalinos na sua composição. O processo de carbonatação consiste nas seguintes etapas de reação:

Para a reação de carbonatação, as partículas têm de estar acessíveis aos reagentes. Isto significa que é necessária uma elevada área superficial das partículas, sem camadas passivantes, para melhorar o processo de carbonatação.
A formação de uma camada de carbonato cada vez mais espessa e densa em torno do núcleo não reagido da partícula sólida, que vai diminuindo de tamanho, cria três etapas limitantes da velocidade:

• hidratação dos óxidos/silicatos;
• lixiviação dos catiões; e
• difusão até à zona de reação.

Para melhorar o processo de carbonatação, estas limitações têm de ser ultrapassadas por uma tecnologia que auxilie o processo. Os ultrassons de alta potência têm sido aplicados com sucesso como tecnologia de intensificação do processo, aumentando a taxa de carbonatação e a velocidade da reação.

Solução: carbonatação ultrassónica

Segundo o grupo de investigação da Katholieke Universiteit Leuven, na Bélgica, “os ultrassons demonstraram ser uma ferramenta potencialmente útil para a intensificação dos processos de carbonatação mineral. Graças à melhoria da mistura, à fragmentação das partículas e à remoção das camadas passivantes de carbonato de cálcio, foi possível acelerar a cinética da reação e alcançar um maior grau de carbonatação em menos tempo. Além disso, em combinação com iões de magnésio em solução, os ultrassons melhoram significativamente a síntese de cristais de aragonite, tanto pela redução da concentração necessária de magnésio como pela redução da temperatura da reação para valores próximos das condições ambiente.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Vantagens de relance:

• distribuição granulométrica de partículas finas através de mistura, desaglomeração e moagem ultrassónicas
• os ultrassons removem as camadas passivantes
• os ultrassons melhoram a cinética da reação
• os ultrassons reduzem a basicidade
• intensificação ultrassónica do processo: maior rendimento, reação mais rápida

Tratamento ultrassónico de partículas

A sonicação é uma ferramenta poderosa para tratar suspensões de partículas. As forças ultrassónicas intensas criam vibração mecânica e forte cavitação nos líquidos. Estas forças geram tensões elevadas e podem fragmentar aglomerados e até partículas primárias, pelo que os ultrassons de alta potência/baixa frequência são um método fiável para aplicações de moagem, desaglomeração e dispersão .

A moagem ultrassónica durante o processo de carbonatação de suspensões cria partículas pequenas com grandes áreas superficiais. Além da fragmentação das partículas, a sonicação também remove depósitos da superfície das partículas, como invólucros carbonatados ou camadas de matriz empobrecidas que envolvem o núcleo não reagido da partícula. Ao remover as camadas passivantes, as limitações à difusão são reduzidas e o material não reagido é exposto à fase aquosa. Assim, a sonicação pode aumentar a conversão por carbonatação e a cinética do processo – resultando em rendimentos mais elevados e numa reação mais rápida.