Карбонизация минералов с применением ультразвука

Карбонизация минералов – это реакция диоксида углерода со щелочными минералами, такими как оксид кальция или магния. Карбонизация минералов используется для промышленного производства твердых частиц в фармацевтической, полимерной промышленности и производстве удобрений, а также для связывания диоксида углерода в щелочных материалах. Обработка частиц мощным ультразвуком зарекомендовала себя как эффективное средство интенсификации процесса, обеспечивающее более высокую степень превращения при карбонизации и более высокую скорость реакции.

Карбонизация минералов: процесс и ограничения

Природные материалы и отходы подвергают карбонизации благодаря наличию в их составе щелочных оксидов, гидроксидов или силикатов. Процесс карбонизации состоит из следующих стадий реакции:

Для реакции карбонизации частицы должны быть доступны для реагентов. Это означает, что для улучшения процесса карбонизации необходима большая площадь поверхности частиц без пассивирующих слоев.
Образование все более толстого и плотного карбонатного слоя вокруг уменьшающегося непрореагировавшего ядра твердой частицы приводит к появлению трех стадий, ограничивающих скорость:

• гидратация оксидов/силикатов;
• выщелачивание катионов; и
• диффузия в зону реакции.

Для улучшения процесса карбонизации эти ограничения необходимо преодолеть с помощью технологии, способствующей протеканию процесса. Мощный ультразвук успешно применяется как технология интенсификации процесса, повышающая скорость карбонизации и скорость реакции.

Решение: ультразвуковая карбонизация

По данным исследовательской группы Католического университета Лёвена в Бельгии, «доказано, что ультразвук является потенциально полезным средством интенсификации процессов карбонизации минералов. Благодаря улучшению перемешивания, разрушению частиц и удалению пассивирующих слоев карбоната кальция удалось ускорить кинетику реакции и достичь большей степени карбонизации за более короткое время. Кроме того, в сочетании с ионами магния в растворе ультразвук значительно способствует синтезу кристаллов арагонита, снижая как необходимую концентрацию магния, так и температуру реакции до значений, близких к температуре окружающей среды».
[Santos et al. 2011, p.114]

Краткий обзор преимуществ:

• распределение частиц по размерам в области малых размеров благодаря ультразвуковому перемешиванию, деагломерации и измельчению
• ультразвук удаляет пассивирующие слои
• ультразвук ускоряет кинетику реакции
• ультразвук снижает основность
• ультразвуковая интенсификация процесса: более высокий выход, более быстрая реакция

Ультразвуковая обработка частиц

Обработка ультразвуком – мощное средство обработки суспензий частиц. Интенсивные ультразвуковые силы создают механические колебания и сильную кавитацию в жидкостях. Эти силы, вызывающие высокие механические напряжения, могут разрушать агломераты и даже первичные частицы, поэтому мощный низкочастотный ультразвук является надежным методом для таких применений, как измельчение, деагломерация и диспергирование частиц.

Ультразвуковое измельчение в процессе карбонизации суспензий образует мелкие частицы с большой площадью поверхности. Помимо фрагментации частиц, обработка ультразвуком также удаляет отложения с поверхности частиц, например карбонизированные оболочки или обедненные слои матрицы, окружающие непрореагировавшее ядро частицы. Удаление пассивирующих слоев уменьшает диффузионные ограничения и обеспечивает контакт непрореагировавшего материала с водной фазой. Таким образом, обработка ультразвуком может повышать степень превращения при карбонизации и ускорять кинетику процесса – обеспечивая более высокий выход и более быструю реакцию.