Mineralna karbonatizacija, izboljšana z ultrazvokom

Mineralna karbonatizacija je reakcija ogljikovega dioksida z alkalnimi minerali, kot sta kalcijev ali magnezijev oksid. Mineralna karbonatizacija se uporablja za industrijsko proizvodnjo trdnih delcev v farmacevtski industriji, industriji polimerov in industriji gnojil ter za vezavo ogljikovega dioksida v alkalnih materialih. Obdelava delcev z ultrazvokom visoke moči se je izkazala za uspešno sredstvo za intenzifikacijo procesa, ki omogoča višjo stopnjo pretvorbe pri karbonatizaciji in večjo hitrost reakcije.

Mineralna karbonatizacija: proces in omejitve

Pri karbonatizaciji se naravni in odpadni materiali karbonatizirajo zaradi prisotnosti alkalnih oksidov, hidroksidov ali silikatov v njihovi sestavi. Proces karbonatizacije sestavljajo naslednji reakcijski koraki:

Za reakcijo karbonatizacije morajo biti delci dostopni reagentom. To pomeni, da je za izboljšanje procesa karbonatizacije potrebna velika površina delcev brez pasivacijskih plasti.
Nastajanje vse debelejše in gostejše karbonatne plasti, ki obdaja krčeče se nezreagirano jedro trdnega delca, povzroča tri korake, ki omejujejo hitrost:

• hidratacijo oksidov/ silikatov;
• izluževanje kationov; in
• difuzijo v reakcijsko območje.

Za izboljšanje procesa karbonatizacije je treba te omejitve premagati s tehnologijo, ki podpira proces. Ultrazvok visoke moči se uspešno uporablja kot tehnologija za intenzifikacijo procesa, ki povečuje hitrost karbonatizacije in hitrost reakcije.

Rešitev: ultrazvočna karbonatizacija

Raziskovalna skupina na Katholieke Universiteit Leuven v Belgiji ugotavlja: “Ultrazvok se je izkazal za potencialno uporabno orodje za intenzifikacijo procesov mineralne karbonatizacije. Zaradi izboljšanega mešanja, drobljenja delcev in odstranjevanja pasivacijskih plasti kalcijevega karbonata je bilo mogoče pospešiti reakcijsko kinetiko in doseči večji obseg karbonatizacije v krajšem času. Poleg tega ultrazvok v kombinaciji z magnezijevimi ioni v raztopini znatno izboljša sintezo kristalov aragonita, tako z zmanjšanjem potrebne koncentracije magnezija kot z znižanjem reakcijske temperature na vrednost blizu temperature okolice.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Pregled prednosti:

• porazdelitev velikosti drobnih delcev z ultrazvočnim mešanjem, deaglomeracijo in mletjem
• ultrazvok odstranjuje pasivacijske plasti
• ultrazvok izboljšuje reakcijsko kinetiko
• ultrazvok zmanjšuje bazičnost
• ultrazvočna intenzifikacija procesa: večji izkoristek, hitrejša reakcija

Ultrazvočna obdelava delcev

Sonikacija je učinkovito orodje za obdelavo suspenzij delcev. Intenzivne ultrazvočne sile povzročajo mehanske vibracije in močno kavitacijo v tekočinah. Te sile, ki povzročajo velike napetosti, lahko razbijejo aglomerate in celo primarne delce, zato je ultrazvok visoke moči/ nizke frekvence zanesljiva metoda pri postopkih mletja, deaglomeracije in dispergiranja .

Ultrazvočno mletje med procesom karbonatizacije suspenzij ustvarja majhne delce z veliko površino. Poleg drobljenja delcev sonikacija odstranjuje tudi obloge s površine delcev, kot so karbonatizirane lupine ali osiromašene plasti matrice, ki obdajajo nezreagirano jedro delca. Z odstranjevanjem pasivacijskih plasti se zmanjšajo difuzijske omejitve, nezreagirani material pa je izpostavljen vodni fazi. Tako lahko sonikacija poveča stopnjo pretvorbe pri karbonatizaciji in pospeši kinetiko procesa – kar omogoča večje izkoristke in hitrejšo reakcijo.