Minerálna karbonatácia podporená ultrazvukom

Minerálna karbonatácia je reakcia oxidu uhličitého s alkalickými minerálmi, ako je oxid vápenatý alebo oxid horečnatý. Minerálna karbonatácia sa používa na priemyselnú výrobu pevných častíc vo farmaceutickom, polymérnom a hnojivárskom priemysle, ako aj na sekvestráciu oxidu uhličitého v alkalických materiáloch. Úprava častíc výkonovým ultrazvukom sa osvedčila ako úspešný prostriedok intenzifikácie procesu, ktorý vedie k vyššej konverzii pri karbonatácii a vyššej rýchlosti reakcie.

Minerálna karbonatácia: proces a obmedzenia

Pri karbonatácii sa prírodné a odpadové materiály karbonatujú vďaka prítomnosti alkalických oxidov, hydroxidov alebo kremičitanov v ich zložení. Proces karbonatácie pozostáva z nasledujúcich reakčných krokov:

Pri karbonatačnej reakcii musia byť častice prístupné pre reagenty. To znamená, že na zlepšenie procesu karbonatácie je potrebný veľký povrch častíc bez pasivačných vrstiev.
Tvorba čoraz hrubšej a hustejšej uhličitanovej vrstvy obklopujúcej zmenšujúce sa nezreagované jadro pevnej častice vytvára tri kroky obmedzujúce rýchlosť reakcie:

• hydratácia oxidov/kremičitanov;
• vylúhovanie katiónov; a
• difúzia do reakčnej zóny.

Na zlepšenie procesu karbonatácie je potrebné prekonať tieto obmedzenia pomocou technológie podporujúcej proces. Vysokovýkonný ultrazvuk sa úspešne používa ako technológia intenzifikácie procesu, ktorá zvyšuje rýchlosť karbonatácie a rýchlosť reakcie.

Riešenie: ultrazvuková karbonatácia

Podľa výskumnej skupiny z Katholieke Universiteit Leuven v Belgicku „sa preukázalo, že ultrazvuk je potenciálne užitočným nástrojom na intenzifikáciu procesov minerálnej karbonatácie. Vďaka zlepšenému miešaniu, rozbíjaniu častíc a odstraňovaniu pasivačných vrstiev uhličitanu vápenatého bolo možné urýchliť reakčnú kinetiku a dosiahnuť vyšší stupeň karbonatácie za kratší čas. Okrem toho ultrazvuk v kombinácii s iónmi horčíka v roztoku výrazne podporuje syntézu kryštálov aragonitu, a to znížením požadovanej koncentrácie horčíka aj znížením reakčnej teploty takmer na teplotu okolia.“
[Santos et al. 2011, p.114]

Prehľad výhod:

• distribúcia veľkosti jemných častíc dosiahnutá ultrazvukovým miešaním, deaglomeráciou a mletím
• ultrazvuk odstraňuje pasivačné vrstvy
• ultrazvuk zlepšuje reakčnú kinetiku
• ultrazvuk znižuje zásaditosť
• ultrazvuková intenzifikácia procesu: vyšší výťažok, rýchlejšia reakcia

Ultrazvuková úprava častíc

Sonikácia je účinným nástrojom na úpravu suspenzií častíc. Intenzívne ultrazvukové sily vytvárajú v kvapalinách mechanické vibrácie a silnú kavitáciu. Tieto sily spôsobujúce vysoké mechanické namáhanie dokážu rozbíjať aglomeráty a dokonca aj primárne častice, takže vysokovýkonný/nízkofrekvenčný ultrazvuk je spoľahlivou metódou v aplikáciách zahŕňajúcich mletie, deaglomeráciu a dispergovanie .

Ultrazvukové mletie počas procesu karbonatácie suspenzií vytvára malé častice s veľkým povrchom. Okrem fragmentácie častíc sonikácia odstraňuje aj usadeniny z povrchu častíc, ako sú karbonatované obaly alebo ochudobnené vrstvy matrice, ktoré obklopujú nezreagované jadro častice. Odstránením pasivačných vrstiev sa znižujú difúzne obmedzenia a nezreagovaný materiál sa vystavuje vodnej fáze. Sonikácia tak môže zvýšiť konverziu pri karbonatácii a urýchliť kinetiku procesu – výsledkom sú vyššie výťažky a rýchlejšia reakcia.