Ultrazvukom vylepšené minerálne sýtenie oxidom uhličitým

Minerálne sýtenie oxidom uhličitým je reakcia oxidu uhličitého s alkalickými minerálmi, ako je oxid vápenatý alebo horečnatý. Minerálna sýtenie oxidom uhličitým sa používa na priemyselnú výrobu pevných častíc vo farmaceutickom, polymérnom a hnojivovom priemysle, ako aj na sekvestráciu oxidu uhličitého v alkalických materiáloch. Zistilo sa, že spracovanie častíc pomocou výkonového ultrazvuku je úspešným prostriedkom na intenzifikáciu procesu, čo vedie k vyššej premene sýtenia oxidom uhličitým a rýchlejšej rýchlosti reakcie.

Minerálne sýtenie oxidom uhličitým: proces a obmedzenia

Na sýtenie oxidom uhličitým sa prírodné a odpadové materiály sýtia oxidom uhličitým kvôli prítomnosti alkalických oxidov, hydroxidov alebo kremičitanov v ich zložení. Proces sýtenia oxidom uhličitým pozostáva z nasledujúcich reakčných krokov:

Kroky sýtenia minerálov

Pre reakciu sýtenia oxidom uhličitým musia byť častice k dispozícii pre činidlá. To znamená, že na zlepšenie procesu karbonizácie je potrebný povrch s vysokým obsahom častíc bez pasivačných vrstiev.
Tvorba čoraz hrubšej a hustejšej uhličitanovej vrstvy obklopujúcej zmenšujúce sa nezreagované jadro pevnej častice vytvára tri kroky obmedzujúce rýchlosť:

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

Na zlepšenie procesu sýtenia oxidom uhličitým je potrebné tieto obmedzenia prekonať technológiou podporujúcou proces. Vysokovýkonný ultrazvuk sa úspešne používa ako technológia intenzifikácie procesov, ktorá zvyšuje rýchlosť sýtenia oxidom uhličitým a rýchlosť reakcie.

Riešenie: Ultrazvukové sýtenie oxidom uhličitým

Výskumná skupina Katholieke Universiteit Leuven v Belgicku, “Ultrazvuk sa ukázal ako potenciálne užitočný nástroj na intenzifikáciu procesov sýtenia minerálmi. Vďaka zvýšenému miešaniu, lámaniu častíc a odstráneniu pasivačných vrstiev uhličitanu vápenatého bolo možné urýchliť kinetiku reakcie a dosiahnuť väčší rozsah sýtenia oxidom uhličitým v kratších časoch. Okrem toho v kombinácii s iónmi horčíka v roztoku ultrazvuk významne zvyšuje syntézu kryštálov aragonitu, a to znížením požadovanej koncentrácie horčíka a znížením reakčnej teploty na podmienky blízke okoliu.”
[Santos a kol. 2011, s. 114]

Prehľad výhod:

• Distribúcia veľkosti jemných častíc ultrazvukovým miešaním, deaglomeráciou & Frézovanie
• ultrazvuk odstraňuje pasivačné vrstvy
• ultrazvuk zvyšuje kinetiku reakcie
• ultrazvuk znižuje zásaditosť
• Ultrazvuková intenzifikácia procesu: vyšší výťažok, rýchlejšia reakcia

Ultrazvukové účinky na sýtenie minerálov. [Santos a kol. 2013]

Ultrazvuková úprava častíc

Sonikácia je silným nástrojom na ošetrenie častícových suspenzí. Intenzívne ultrazvukové sily vytvárajú mechanické vibrácie a silnú kavitáciu v kvapalinách. Tieto sily vysokého napätia môžu rozbiť aglomeráty a dokonca aj primárne častice, takže vysokovýkonný/nízkofrekvenčný ultrazvuk je spoľahlivou metódou pre Frézovanie, Deaglomerácia a Rozptyľuje Aplikácie.

SEM obrázky oxidu vápenatého spočiatku (a) a po 10 minútach sonikácie (b). [Santos a kol. 2012]

Ultrazvukové mletie počas procesu sýtenia oxidom uhličitým vytvára malé častice s veľkým povrchom. Okrem fragmentácie častíc sonikácia odstraňuje aj usadeniny z povrchu častíc, ako sú sýtené škrupiny alebo ochudobnené vrstvy matrice, ktoré obklopujú nezreagované jadro častíc. Odstránením pasivačných vrstiev sa znížia difúzne obmedzenia a nezreagovaný materiál je vystavený vodnej fáze. Sonikácia tak môže zvýšiť konverziu sýtenia oxidom uhličitým a kinetiku procesu – čo vedie k vyšším výťažkom a rýchlejšej reakcii.

Ultrazvukové účinky na častice [Santos et al. 2011]