Ultraljudsförstärkt mineralkarbonatisering

Mineralkarbonatisering är reaktionen mellan koldioxid och alkaliska mineraler såsom kalciumoxid eller magnesiumoxid. Mineralkarbonatisering används för industriell framställning av fasta partiklar inom läkemedels-, polymer- och gödselmedelsindustrin samt för bindning av koldioxid i alkaliska material. Partikelbehandling med effektultraljud har visat sig vara ett framgångsrikt sätt att intensifiera processen, vilket ger högre omsättningsgrad vid karbonatiseringen och snabbare reaktion.

Mineralkarbonatisering: process och begränsningar

Vid karbonatisering karbonatiseras naturmaterial och avfallsmaterial tack vare att de innehåller alkaliska oxider, hydroxider eller silikater. Karbonatiseringsprocessen består av följande reaktionssteg:

För karbonatiseringsreaktionen måste partiklarna vara tillgängliga för reagenserna. Det innebär att en stor partikelyta utan passiverande skikt krävs för att förbättra karbonatiseringsprocessen.
Bildningen av ett allt tjockare och tätare karbonatskikt runt den fasta partikelns krympande, oreagerade kärna skapar tre hastighetsbegränsande steg:

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

För att förbättra karbonatiseringsprocessen måste dessa begränsningar övervinnas med en processtödjande teknik. Ultraljud med hög effekt har med framgång använts som en teknik för processintensifiering som ökar karbonatiseringshastigheten och reaktionshastigheten.

Lösning: karbonatisering med ultraljud

Enligt forskargruppen vid Katholieke Universiteit Leuven i Belgien har ”ultraljud visat sig vara ett potentiellt användbart verktyg för intensifiering av mineralkarbonatiseringsprocesser. Tack vare förbättrad blandning, sönderdelning av partiklar och avlägsnande av passiverande kalciumkarbonatskikt var det möjligt att påskynda reaktionskinetiken och uppnå en högre karbonatiseringsgrad på kortare tid. Dessutom förbättrar ultraljud i kombination med magnesiumjoner i lösning syntesen av aragonitkristaller avsevärt, både genom att minska den nödvändiga magnesiumkoncentrationen och genom att sänka reaktionstemperaturen till nära omgivningstemperaturen.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Fördelar i överblick:

• fin partikelstorleksfördelning genom ultraljudsblandning, deagglomerering och malning
• ultraljud avlägsnar passiverande skikt
• ultraljud förbättrar reaktionskinetiken
• ultraljud minskar basiciteten
• processintensifiering med ultraljud: högre utbyte, snabbare reaktion

Partikelbehandling med ultraljud

Ultraljudsbehandling är ett kraftfullt verktyg för att behandla partikelsuspensioner. Intensiva ultraljudskrafter skapar mekaniska vibrationer och kraftig kavitation i vätskor. Dessa stora mekaniska påkänningar kan bryta sönder agglomerat och till och med primärpartiklar, vilket gör ultraljud med hög effekt och låg frekvens till en tillförlitlig metod i tillämpningar för malning, deagglomerering och dispergering .

Ultraljudsmalning under karbonatiseringsprocessen av suspensioner skapar små partiklar med stora ytor. Utöver partikelfragmentering avlägsnar ultraljudsbehandling även avlagringar från partikelytan, såsom karbonatiserade skal eller utarmade matrisskikt som omger den oreagerade partikelkärnan. Genom att de passiverande skikten avlägsnas minskar diffusionsbegränsningarna och oreagerat material exponeras för vattenfasen. Därigenom kan ultraljudsbehandling öka omsättningsgraden vid karbonatiseringen och påskynda processkinetiken – vilket ger högre utbyten och en snabbare reaktion.