Минерална карбонација побољшана ултразвуком

Карбонизација минерала је реакција угљен-диоксида са алкалним минералима као што су калцијум или магнезијум оксид. Карбонизација минерала се користи за индустријску производњу чврстих честица у фармацеутској индустрији, индустрији полимера и ђубрива, као и за секвестрацију угљен-диоксида у алкалним материјалима. Утврђено је да је третман честица ултразвуком успешан начин интензивирања процеса који резултира већом конверзијом карбонације и бржом брзином реакције.

Карбонација минерала: процес и ограничења

За карбонизацију се природни и отпадни материјали газирају због присуства алкалних оксида, хидроксида или силиката у њиховом саставу. Процес карбонизације се састоји од следећих корака реакције:

Кораци минералне карбонизације

За реакцију карбонизације, честице морају бити доступне за реагенсе. То значи да је потребна висока површина честица без пасивирајућих слојева да би се побољшао процес карбонације.
Формирање све дебљег и гушћег карбонатног слоја који окружује нереаговано језгро чврсте честице које се скупља ствара три корака ограничавања брзине:

• хидратација оксида/силиката;
• лужење катјона; и
• дифузија у реакциону зону.

Да би се побољшао процес карбонације, ова ограничења морају бити превазиђена технологијом која помаже процесу. Ултразвук велике снаге је успешно примењен као технологија интензивирања процеса која повећава брзину карбонизације и брзину реакције.

Решење: ултразвучна карбонација

Истраживачка група Катхолиеке Университеит Леувен у Белгији, “ултразвук се показао као потенцијално корисно средство за интензивирање процеса карбонизације минерала. Због појачаног мешања, ломљења честица и уклањања пасивизирајућих слојева калцијум карбоната било је могуће убрзати кинетику реакције и постићи већи степен карбонације за краће време. Штавише, у комбинацији са јонима магнезијума у раствору, ултразвук значајно појачава синтезу кристала арагонита, како смањењем потребне концентрације магнезијума, тако и смањењем реакционе температуре на услове близу амбијенталних.”
[Сантос ет ал. 2011, стр.114]

Предности на први поглед:

• фина расподела величине честица ултразвучним мешањем, деагломерација & глодање
• ултразвук уклања пасивизирајуће слојеве
• ултразвук побољшава кинетику реакције
• ултразвук смањује базичност
• ултразвучно интензивирање процеса: већи принос, бржа реакција

Ултразвучни ефекти на карбонизацију минерала. [Сантос ет ал. 2013]

третман ултразвучним честицама

Соникација је моћан алат за третирање муљних честица. Интензивне ултразвучне силе стварају механичке вибрације и јаку кавитацију у течностима. Ове велике силе напрезања могу разбити агломерате, па чак и примарне честице, тако да је ултразвук велике снаге/ниске фреквенције поуздан метод за глодање, деагломерација и Дисперсинг апликације.

СЕМ слике калцијум оксида на почетку (а) и након 10 минута соникације (б). [Сантос ет ал. 2012]

Ултразвучно млевење током процеса карбонизације суспензије ствара мале честице са великом површином. Поред фрагментације честица, соникација такође уклања наслаге са површине честица, као што су карбонатне шкољке или осиромашени слојеви матрикса који окружују нереаговано језгро честице. Уклањањем пасивирајућих слојева, ограничења дифузије се смањују и неизреаговани материјал се излаже воденој фази. На тај начин, соникација може повећати конверзију карбонације и кинетику процеса – што резултира већим приносима и бржом реакцијом.

Ултразвучни ефекти на честице [Сантос ет ал. 2011]