Carbonatação mineral aprimorada por ultrassom

A carbonatação mineral é a reação do dióxido de carbono com minerais alcalinos, como óxido de cálcio ou magnésio. A carbonatação mineral é usada para a produção industrial de partículas sólidas na indústria farmacêutica, de polímeros e fertilizantes, bem como para o sequestro de dióxido de carbono em materiais alcalinos. O tratamento de partículas por ultrassom de potência foi considerado um meio bem-sucedido de intensificação do processo, resultando em maior conversão de carbonatação e velocidade de reação mais rápida.

Carbonatação mineral: processo e limitações

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

Etapas da carbonatação mineral

Para a reação de carbonatação, as partículas devem estar disponíveis para os reagentes. Isso significa que uma superfície de partículas altas sem camadas passivantes é necessária 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 cria três etapas limitantes de taxa:

• hidratação de óxidos/silicatos;
• lixiviação de cátions; e
• difusão para a zona de reação.

Para melhorar o processo de carbonatação, essas limitações devem ser superadas por uma tecnologia de assistência ao processo. O ultrassom de alta potência foi aplicado com sucesso como uma tecnologia de intensificação de processo, aumentando a taxa de carbonatação e a velocidade de reação.

Solução: Carbonatação ultrassônica

Pelo grupo de pesquisa da Katholieke Universiteit Leuven, na Bélgica, “O ultrassom tem se mostrado uma ferramenta potencialmente útil para a intensificação dos processos de carbonatação mineral. Devido ao aumento da mistura, quebra de partículas e remoção de camadas passivantes de carbonato de cálcio, foi possível acelerar a cinética da reação e alcançar maior extensão de carbonatação em tempos mais curtos. Além disso, em combinação com íons de magnésio em solução, o ultrassom aumenta significativamente a síntese de cristais de aragonita, reduzindo a concentração necessária de magnésio e reduzindo a temperatura de reação para condições ambientais próximas.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Benefícios em resumo:

• Distribuição de tamanho de partícula fina por mistura ultrassônica, desaglomeração & moagem
• O ultrassom remove as camadas passivantes
• O ultrassom melhora a cinética da reação
• O ultrassom reduz a basicidade
• Intensificação do processo ultrassônico: maior rendimento, reação mais rápida

Efeitos ultrassônicos na carbonatação mineral. [Santos et al. 2013]

Tratamento ultrassônico de partículas

A sonicação é uma ferramenta poderosa para tratar pastas de partículas. Forças ultrassônicas intensas criam vibração mecânica e forte cavitação em líquidos. Essas altas forças de tensão podem quebrar aglomerados e até partículas primárias, de modo que o ultrassom de alta potência / baixa frequência é um método confiável para moagem, desaglomeração e Dispersão Aplicativos.

Imagens de MEV de óxido de cálcio inicialmente (a) e após 10 minutos de sonicação (b). [Santos et al. 2012]

A moagem ultrassônica durante o processo de carbonatação de polpas abrasivas cria pequenas partículas com grandes áreas de superfície. Além da fragmentação de partículas, a sonicação também remove deposições da superfície da partícula, como conchas carbonatadas ou camadas de matriz empobrecidas que circundam o núcleo da partícula não reagida. Ao remover as camadas passivantes, as limitações de difusão são reduzidas e o material não reagido é exposto à fase aquosa. Assim, a sonicação pode aumentar a conversão de carbonatação e a cinética do processo – resultando em maiores rendimentos e uma reação mais rápida.

Efeitos ultrassônicos em partículas [Santos et al. 2011]