Ultraljudsförstärkt mineralkarbonatisering

Mineralkarbonisering är reaktionen av koldioxid med alkaliska mineraler som kalcium eller magnesiumoxid. Mineralkarbonering används för industriell produktion av fasta partiklar inom läkemedels-, polymer- och gödningsmedelsindustrin samt för koldioxidbindning i alkaliska material. Partikelbehandling med hjälp av ultraljud har visat sig vara ett framgångsrikt sätt att intensifiera processen, vilket resulterar i högre karbonatiseringsomvandling och snabbare reaktionshastighet.

Mineralkarbonatisering: Process och begränsningar

För karbonatisering karboniseras naturliga material och avfallsmaterial på grund av närvaron av alkaliska oxider, hydroxider eller silikater i deras sammansättning. Karbonatiseringsprocessen består av följande reaktionssteg:

Steg för mineralkarbonisering

För karbonatiseringsreaktionen måste partiklarna vara tillgängliga för reagenserna. Detta innebär att det krävs en yta med hög partikelhalt utan passiverande skikt för att förbättra karbonatiseringsprocessen.
Bildandet av ett allt tjockare och tätare karbonatskikt som omger den krympande oreagerade kärnan av den fasta partikeln skapar tre hastighetsbegränsande steg:

• hydratisering av oxider/silikater;
• urlakning av katjoner; och
• diffusion till reaktionszonen.

För att förbättra kolsyreprocessen måste dessa begränsningar övervinnas med hjälp av en processassisterande teknik. Ultraljud med hög effekt har framgångsrikt tillämpats som en processintensifieringsteknik som förbättrar kolsyrehastigheten och reaktionshastigheten.

Lösning: Ultraljudskarbonatisering

Av forskargruppen vid Katholieke Universiteit Leuven i Belgien, “Ultraljud har visat sig vara ett potentiellt användbart verktyg för intensifiering av mineralkarbonatiseringsprocesser. På grund av förbättrad blandning, partikelbrytning och avlägsnande av passiverande kalciumkarbonatskikt var det möjligt att påskynda reaktionskinetiken och uppnå större karbonatomfattning på kortare tider. Dessutom, i kombination med magnesiumjoner i lösning, förbättrar ultraljud avsevärt syntesen av aragonitkristaller, både genom att minska den erforderliga koncentrationen av magnesium och minska reaktionstemperaturen till nära omgivningsförhållanden.”
[Santos et al. 2011, s.114]

Fördelarna i korthet:

• Fördelning av fin partikelstorlek genom ultraljudsblandning, deagglomeration & fräsning
• Ultraljud tar bort passiverande lager
• Ultraljud förbättrar reaktionskinetiken
• Ultraljud minskar basiciteten
• Ultraljudsprocessintensifiering: högre utbyte, snabbare reaktion

Ultraljudseffekter på mineralkarbonatisering. [Santos et al. 2013]

Behandling av ultraljudspartiklarna

Ultraljudsbehandling är ett kraftfullt verktyg för att behandla partikelslam. Intensiva ultraljudskrafter skapar mekaniska vibrationer och stark kavitation i vätskor. Dessa höga spänningskrafter kan bryta agglomerat och till och med primära partiklar, så att ultraljud med hög effekt/låg frekvens är en tillförlitlig metod för fräsning, deagglomeration och Spridning Program.

SEM-bilder av kalciumoxid initialt (a) och efter 10 minuters ultraljudsbehandling (b). [Santos et al. 2012]

Ultraljudsfräsningen under karbonatiseringsprocessen av uppslamningar skapar små partiklar med stora ytor. Förutom partikelfragmentering, ultraljudsbehandling tar också bort avlagringar från partikelytan, såsom karbonatiserade skal eller utarmade matrisskikt som omger den oreagerade partikelkärnan. Genom att ta bort de passiverande skikten reduceras diffusionsbegränsningarna och oreagerat material exponeras för vattenfasen. Därmed kan ultraljudsbehandling öka kolsyreomvandlingen och processens kinetik – vilket resulterar i högre utbyten och en snabbare reaktion.

Ultraljudseffekter på partiklar [Santos et al. 2011]