Carbonatare minerală îmbunătățită cu ultrasunete

Carbonatarea minerală este reacția dioxidului de carbon cu minerale alcaline, cum ar fi oxidul de calciu sau de magneziu. Carbonatarea minerală este utilizată pentru producția industrială de particule solide în industria farmaceutică, a polimerilor și a îngrășămintelor, precum și pentru sechestrarea dioxidului de carbon în materiale alcaline. Tratarea particulelor cu ultrasunete de putere s-a dovedit a fi un mijloc eficient de intensificare a proceselor, care conduce la o conversie mai mare prin carbonatare și la o viteză de reacție mai mare.

Carbonatarea minerală: proces și limitări

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

Pentru reacția de carbonatare, particulele trebuie să fie accesibile reactivilor. Aceasta înseamnă că, pentru îmbunătățirea procesului de carbonatare, este necesară o suprafață mare a particulelor, fără straturi pasivante.
Formarea unui strat de carbonat din ce în ce mai gros și mai dens în jurul miezului nereacționat, aflat în micșorare, al particulei solide creează trei etape limitative de viteză:

• hidratarea oxizilor/ silicaților;
• levigarea cationilor; și
• difuzia către zona de reacție.

Pentru a îmbunătăți procesul de carbonatare, aceste limitări trebuie depășite cu ajutorul unei tehnologii de asistare a procesului. Ultrasunetele de mare putere au fost aplicate cu succes ca tehnologie de intensificare a proceselor, crescând rata de carbonatare și viteza de reacție.

Soluția: carbonatarea cu ultrasunete

Potrivit grupului 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, fragmentării particulelor și îndepărtării straturilor pasivante de carbonat de calciu, a fost posibilă accelerarea cineticii de reacție și obținerea unui grad mai mare de carbonatare în timpi mai scurți. Mai mult, în combinație cu ioni 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 până aproape de condițiile ambientale.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Avantaje pe scurt:

• distribuție fină a dimensiunii particulelor prin amestecare, dezaglomerare și măcinare cu ultrasunete
• ultrasunetele îndepărtează straturile pasivante
• ultrasunetele îmbunătățesc cinetica de reacție
• ultrasunetele reduc bazicitatea
• intensificarea procesului cu ultrasunete: randament mai mare, reacție mai rapidă

Tratarea particulelor cu ultrasunete

Sonicarea este un instrument puternic pentru tratarea suspensiilor de particule. Forțele ultrasonice intense generează vibrații mecanice și cavitație puternică în lichide. Aceste forțe de solicitare ridicată pot sparge aglomeratele și chiar particulele primare, astfel încât ultrasunetele de mare putere/ frecvență joasă reprezintă o metodă fiabilă în aplicațiile de măcinare, dezaglomerare și dispersare a particulelor.

Măcinarea cu ultrasunete în timpul procesului de carbonatare a suspensiilor generează particule mici, cu suprafețe specifice mari. Pe lângă fragmentarea particulelor, sonicarea îndepărtează și depunerile de pe suprafața particulelor, cum ar fi învelișurile carbonatate sau straturile de matrice epuizată care înconjoară miezul nereacționat al particulei. Prin îndepărtarea straturilor pasivante, limitările de difuzie sunt reduse, iar materialul nereacționat este expus fazei apoase. Astfel, sonicarea poate crește conversia prin carbonatare și cinetica procesului – ceea ce conduce la randamente mai mari și la o reacție mai rapidă.