Минеральная карбонизация под ультразвуковым давлением

Минеральная карбонизация — это реакция углекислого газа со щелочными минералами, такими как оксид кальция или магния. Минеральная карбонизация используется для промышленного производства твердых частиц в фармацевтической, полимерной промышленности и производстве удобрений, а также для секвестрации углекислого газа в щелочных материалах. Установлено, что обработка частиц силовым ультразвуком является успешным средством интенсификации процесса, приводящим к более высокой конверсии карбонизации и более быстрой скорости реакции.

Минеральная карбонизация: процесс и ограничения

Для карбонизации природные и отработанные материалы газируются благодаря наличию в их составе щелочных оксидов, гидроксидов или силикатов. Процесс карбонизации состоит из следующих этапов реакции:

Этапы минеральной карбонизации

Для реакции карбонизации частицы должны быть доступны для реагентов. Это означает, что для улучшения процесса карбонизации требуется поверхность с высоким содержанием частиц без пассивирующих слоев.
Образование все более толстого и плотного карбонатного слоя, окружающего сжимающееся непрореагировавшее ядро твердой частицы, создает три этапа ограничения скорости:

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

Чтобы улучшить процесс карбонизации, эти ограничения должны быть преодолены с помощью технологии, способствующей процессу. Ультразвук высокой мощности успешно применяется в качестве технологии интенсификации процесса, повышая скорость карбонизации и реакции.

Решение: ультразвуковая карбонизация

Исследовательской группой Лёвенского католического университета в Бельгии, “Доказано, что ультразвук является потенциально полезным инструментом для интенсификации процессов карбонизации минералов. Благодаря усиленному перемешиванию, разрушению частиц и удалению пассивирующих слоев карбоната кальция удалось ускорить кинетику реакции и достичь большей степени карбонизации за более короткое время. Более того, в сочетании с ионами магния в растворе ультразвук значительно усиливает синтез кристаллов арагонита, как за счет снижения необходимой концентрации магния, так и за счет снижения температуры реакции до условий, приближенных к условиям окружающей среды.”
[Santos et al. 2011, стр.114]

Краткий обзор преимуществ:

• Мелкодисперсное распределение частиц по размерам при ультразвуковом перемешивании, деагломерации & измельчение
• Ультразвук удаляет пассивирующие слои
• Ультразвук усиливает кинетику реакции
• Ультразвук снижает основность
• Ультразвуковая интенсификация процессов: более высокий выход, более быстрая реакция

Ультразвуковое воздействие на минеральную карбонизацию. [Santos et al. 2013]

Ультразвуковая обработка частицами

Ультразвуковая обработка является мощным инструментом для обработки суспензий от частиц. Интенсивные ультразвуковые воздействия создают механическую вибрацию и сильную кавитацию в жидкостях. Эти высокие силы напряжения могут разрушать агломераты и даже первичные частицы, поэтому высокомощный/низкочастотный ультразвук является надежным методом измельчение, деагломерация и Диспергирующий Приложений.

СЭМ-снимки оксида кальция первоначально (а) и после 10 минут ультразвуковой обработки (б). [Santos et al. 2012]

Ультразвуковое измельчение в процессе карбонизации суспензий позволяет получить мелкие частицы с большой площадью поверхности. Помимо фрагменации частиц, ультразвуковая обработка также удаляет отложения с поверхности частиц, такие как углекислые оболочки или обедненные матричные слои, которые окружают непрореагировавшее ядро частицы. За счет удаления пассивирующих слоев снижаются ограничения диффузии, а непрореагировавший материал подвергается воздействию водной фазы. Таким образом, ультразвуковая обработка может увеличить конверсию карбонизации и кинетику процесса, что приводит к более высокому выходу и более быстрой реакции.

Ультразвуковое воздействие на частицы [Santos et al. 2011]