Ultrazvočno okrepljena mineralna karbonizacija

Mineralna karbonizacija je reakcija ogljikovega dioksida z alkalnimi minerali, kot sta kalcijev ali magnezijev oksid. Mineralna karbonizacija se uporablja za industrijsko proizvodnjo trdnih delcev v farmacevtski industriji, industriji polimerov in gnojil ter za sekvestracijo ogljikovega dioksida v alkalnih materialih. Obdelava delcev z močnim ultrazvokom je bila ugotovljena kot uspešno sredstvo za intenziviranje procesa, kar ima za posledico večjo pretvorbo karbonacije in hitrejšo hitrost reakcije.

Mineralna karbonacija: proces in omejitve

Za karbonizacijo so naravni in odpadni materiali gazirani zaradi prisotnosti alkalnih oksidov, hidroksidov ali silikatov v njihovi sestavi. Postopek karbonizacije je sestavljen iz naslednjih reakcijskih korakov:

Koraki karbonacije mineralov

Za reakcijo karbonacije morajo biti delci na voljo za reagente. To pomeni, da je za izboljšanje procesa karbonacije potrebna površina z visokimi delci brez pasivacije.
Nastajanje vse bolj debele in goste karbonatne plasti, ki obdaja krčeče se nereagirano jedro trdnega delca, ustvarja tri korake, ki omejujejo hitrost:

• hidracija oksidov / silikatov;
• izpiranje kationov; in
• difuzija v reakcijsko območje.

Za izboljšanje procesa karbonizacije je treba te omejitve premagati s tehnologijo za pomoč pri postopku. Ultrazvok visoke moči je bil uspešno uporabljen kot tehnologija intenzifikacije procesa, ki povečuje hitrost karbonizacije in hitrost reakcije.

Rešitev: ultrazvočna karbonizacija

Raziskovalna skupina Katholieke Universiteit Leuven v Belgiji, “Ultrazvok se je izkazal za potencialno uporabno orodje za intenziviranje procesov karbonacije mineralov. Zaradi okrepljenega mešanja, lomljenja delcev in odstranjevanja pasivacijskih plasti kalcijevega karbonata je bilo mogoče pospešiti kinetiko reakcije in doseči večji obseg karbonacije v krajših časih. Poleg tega ultrazvok v kombinaciji z magnezijevimi ioni v raztopini znatno izboljša sintezo kristalov aragonita, tako z zmanjšanjem zahtevane koncentracije magnezija kot z zmanjšanjem reakcijske temperature na pogoje blizu okolja.”
[Santos et al. 2011, str. 114]

Prednosti na prvi pogled:

• porazdelitev velikosti drobnih delcev z ultrazvočnim mešanjem, deaglomeracijo & Rezkanje
• Ultrazvok odstranjuje pasivizirajoče plasti
• Ultrazvok izboljša reakcijsko kinetiko
• Ultrazvok zmanjšuje bazičnost
• Ultrazvočna intenzifikacija procesa: večji donos, hitrejša reakcija

Ultrazvočni učinki na karbonizacijo mineralov. [Santos et al. 2013]

Ultrazvočna obdelava delcev

Sonication je močno orodje za zdravljenje gnojevk delcev. Intenzivne ultrazvočne sile ustvarjajo mehanske vibracije in močno kavitacijo v tekočinah. Te sile visoke napetosti lahko razbijejo aglomerate in celo primarne delce, tako da je ultrazvok visoke moči / nizke frekvence zanesljiva metoda za Rezkanje, Deaglomeracija in Razpršitvijo Aplikacije.

SEM slike kalcijevega oksida na začetku (a) in po 10 minutah ultrazvočnega razbijanja (b). [Santos et al. 2012]

Ultrazvočno mletje med procesom karbonizacije gnojevk ustvarja majhne delce z velikimi površinami. Poleg fragmenacije delcev ultrazvočno razbijanje odstranjuje tudi usedline s površine delcev, kot so gazirane lupine ali osiromašene plasti matrice, ki obkrožajo nereagirano jedro delcev. Z odstranitvijo pasivacijske plasti se zmanjšajo omejitve difuzije in nereagirani material je izpostavljen vodni fazi. S tem lahko ultrazvočno razbijanje poveča pretvorbo karbonizacije in kinetiko procesa - kar ima za posledico višje donose in hitrejšo reakcijo.

Ultrazvočni učinki na delce [Santos et al. 2011]