Carbonatare minerală îmbunătățită cu ultrasunete

Carbonarea minerală este reacția dioxidului de carbon cu minerale alcaline, cum ar fi oxidul de calciu sau magneziu. Carbonarea minerală este utilizată pentru producția industrială de particule solide în industria farmaceutică, polimerică și îngrășăminte, precum și pentru sechestrarea dioxidului de carbon în materialele alcaline. Tratamentul cu particule prin ultrasunete de putere a fost găsit un mijloc de succes de intensificare a procesului, rezultând o conversie mai mare a carbonatării și o viteză de reacție mai rapidă.

Carbonatarea minerală: proces și limitări

Pentru carbonatare, materialele naturale și deșeurile sunt carbogazoase datorită prezenței oxizilor alcalini, hidroxizilor sau silicaților în compoziția lor. Procesul de carbonatare constă în următoarele etape de reacție:

Etapele carbonatării minerale

Pentru reacția de carbonatare, particulele trebuie să fie disponibile pentru reactivi. Aceasta înseamnă că este necesară o suprafață mare a particulelor fără straturi pasivante pentru a îmbunătăți procesul de carbonatare.
Formarea unui strat de carbonat din ce în ce mai gros și dens care înconjoară miezul nereacționat al particulei solide creează trei etape de limitare a vitezei:

• hidratarea oxizilor/silicatilor;
• percolarea cationilor; și
• difuzie în zona de reacție.

Pentru a îmbunătăți procesul de carbonatare, aceste limitări trebuie depășite printr-o tehnologie de asistență a procesului. Ultrasunetele de mare putere au fost aplicate cu succes ca tehnologie de intensificare a procesului, îmbunătățind rata de carbonatare și viteza de reacție.

Soluție: Carbonatare cu ultrasunete

Realizat de grupul de cercetare al Katholieke Universiteit Leuven din Belgia, “Ultrasunetele s-au dovedit a fi un instrument potențial util pentru intensificarea proceselor de carbonatare minerală. Datorită amestecării îmbunătățite, ruperii particulelor și îndepărtării straturilor pasivante de carbonat de calciu, a fost posibilă accelerarea cineticii reacției și obținerea unei extinderi mai mari de carbonatare în perioade mai scurte. Mai mult, în combinație cu ionii de magneziu în soluție, ultrasunetele îmbunătățesc semnificativ sinteza cristalelor de aragonit, atât prin reducerea concentrației necesare de magneziu, cât și prin reducerea temperaturii de reacție la condițiile ambientale apropiate.”
[Santos și colab. 2011, p.114]

Avantajele dintr-o privire:

• distribuția dimensiunii particulelor fine prin amestecare cu ultrasunete, dezaglomerare & Frezare
• ultrasunetele îndepărtează straturile pasivante
• Ecografia îmbunătățește cinetica reacției
• Ultrasunetele reduc bazicitatea
• Intensificarea procesului cu ultrasunete: randament mai mare, reacție mai rapidă

Efecte ultrasonice asupra carbonatării minerale. [Santos și colab. 2013]

Tratamentul cu particule cu ultrasunete

Sonicare este un instrument puternic pentru tratarea suspensiilor de particule. Forțele ultrasonice intense creează vibrații mecanice și cavitație puternică în lichide. Aceste forțe de stres ridicat pot rupe aglomeratele și chiar particulele primare, astfel încât ultrasunetele de mare putere / joasă frecvență sunt o metodă fiabilă pentru Frezare, dezaglomerare și Dispersarea Aplicaţii.

Imagini SEM de oxid de calciu inițial (a) și după 10 minute de sonicare (b). [Santos și colab. 2012]

Frezarea cu ultrasunete în timpul procesului de carbonatare a suspensiilor creează particule mici cu suprafețe mari. Pe lângă parfumarea particulelor, sonicare, de asemenea, elimină depunerile de pe suprafața particulelor, cum ar fi cochilii carbogazoase sau straturile de matrice epuizate care înconjoară miezul particulelor nereacționate. Prin îndepărtarea straturilor pasivante, limitările de difuzie sunt reduse și materialul nereacționat este expus fazei apoase. Astfel, sonicare poate crește conversia carbonatării și cinetica procesului – rezultând randamente mai mari și o reacție mai rapidă.

Efecte ultrasonice asupra particulelor [Santos et al. 2011]