การทำคาร์บอเนชันของแร่ที่เพิ่มประสิทธิภาพด้วยอัลตราซาวนด์

การทำคาร์บอเนชันของแร่คือปฏิกิริยาระหว่างคาร์บอนไดออกไซด์กับแร่ที่มีสมบัติเป็นด่าง เช่น แคลเซียมออกไซด์หรือแมกนีเซียมออกไซด์ การทำคาร์บอเนชันของแร่ใช้ในการผลิตอนุภาคของแข็งระดับอุตสาหกรรมในอุตสาหกรรมยา พอลิเมอร์ และปุ๋ย รวมถึงการกักเก็บคาร์บอนไดออกไซด์ในวัสดุที่มีสมบัติเป็นด่าง พบว่าการปรับสภาพอนุภาคด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูงเป็นวิธีที่ประสบความสำเร็จในการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ ส่งผลให้มีอัตราการเปลี่ยนสารผ่านปฏิกิริยาคาร์บอเนชันสูงขึ้นและปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้น

การทำคาร์บอเนชันของแร่: กระบวนการและข้อจำกัด

ในการทำคาร์บอเนชัน วัสดุธรรมชาติและวัสดุของเสียสามารถเกิดปฏิกิริยาคาร์บอเนชันได้เนื่องจากมีออกไซด์ ไฮดรอกไซด์ หรือซิลิเกตที่มีสมบัติเป็นด่างเป็นองค์ประกอบ กระบวนการคาร์บอเนชันประกอบด้วยขั้นตอนปฏิกิริยาดังต่อไปนี้:

สำหรับปฏิกิริยาคาร์บอเนชัน สารที่เข้าทำปฏิกิริยาต้องสามารถเข้าถึงอนุภาคได้ ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องมีพื้นที่ผิวอนุภาคสูงและปราศจากชั้นพาสซิเวชันเพื่อปรับปรุงกระบวนการคาร์บอเนชัน
การเกิดชั้นคาร์บอเนตที่หนาและหนาแน่นขึ้นเรื่อย ๆ รอบแกนกลางของอนุภาคของแข็งที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาและกำลังหดตัว ทำให้เกิดขั้นตอนที่จำกัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาสามขั้นตอน:

• การเกิดไฮเดรชันของออกไซด์/ซิลิเกต;
• การชะละลายแคตไอออน; และ
• การแพร่ไปยังบริเวณที่เกิดปฏิกิริยา

เพื่อปรับปรุงกระบวนการคาร์บอเนชัน จำเป็นต้องเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ด้วยเทคโนโลยีที่ช่วยกระบวนการ มีการใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงอย่างประสบความสำเร็จในฐานะเทคโนโลยีเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ ซึ่งเพิ่มอัตราการเกิดคาร์บอเนชันและความเร็วของปฏิกิริยา

แนวทางแก้ไข: การทำคาร์บอเนชันด้วยอัลตราซาวนด์

กลุ่มวิจัยจาก Katholieke Universiteit Leuven ในประเทศเบลเยียมระบุว่า “อัลตราซาวนด์ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นเครื่องมือที่อาจมีประโยชน์ในการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการคาร์บอเนชันของแร่ ด้วยการผสมที่ดีขึ้น การแตกตัวของอนุภาค และการกำจัดชั้นพาสซิเวชันของแคลเซียมคาร์บอเนต จึงสามารถเร่งจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาและทำให้เกิดคาร์บอเนชันได้มากขึ้นภายในเวลาที่สั้นลง นอกจากนี้ เมื่อใช้ร่วมกับไอออนแมกนีเซียมในสารละลาย อัลตราซาวนด์ยังเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์ผลึกอะราโกไนต์อย่างมีนัยสำคัญ ทั้งโดยลดความเข้มข้นของแมกนีเซียมที่จำเป็นและลดอุณหภูมิของปฏิกิริยาให้ใกล้เคียงกับสภาวะแวดล้อม”
[Santos et al. 2011, p.114]

ประโยชน์โดยสังเขป:

• การกระจายขนาดของอนุภาคละเอียดด้วยการผสม การสลายกลุ่มอนุภาค และการบดด้วยอัลตราซาวนด์
• อัลตราซาวนด์กำจัดชั้นพาสซิเวชัน
• อัลตราซาวนด์เพิ่มจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา
• อัลตราซาวนด์ลดความเป็นเบส
• การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการด้วยอัลตราซาวนด์: ผลได้สูงขึ้น ปฏิกิริยาเร็วขึ้น

การปรับสภาพอนุภาคด้วยอัลตราซาวนด์

การใช้อัลตราซาวนด์เป็นเครื่องมือที่ทรงพลังในการปรับสภาพสลาร์รีของอนุภาค แรงอัลตราซาวนด์ที่รุนแรงทำให้เกิดการสั่นเชิงกลและคาวิเทชันที่รุนแรงในของเหลว แรงที่ก่อให้เกิดความเค้นสูงเหล่านี้สามารถทำให้กลุ่มอนุภาคและแม้แต่อนุภาคปฐมภูมิแตกตัวได้ ดังนั้น อัลตราซาวนด์กำลังสูง/ความถี่ต่ำจึงเป็นวิธีที่เชื่อถือได้สำหรับการใช้งานด้าน การบด, การสลายกลุ่มอนุภาค และ การกระจายอนุภาค .

การบดด้วยอัลตราซาวนด์ระหว่างกระบวนการคาร์บอเนชันของสลาร์รีทำให้เกิดอนุภาคขนาดเล็กที่มีพื้นที่ผิวมาก นอกจากทำให้อนุภาคแตกตัวแล้ว การใช้อัลตราซาวนด์ยังกำจัดสิ่งที่สะสมบนพื้นผิวอนุภาค เช่น ชั้นเปลือกที่เกิดคาร์บอเนชันแล้ว หรือชั้นเมทริกซ์ที่องค์ประกอบถูกชะออกไป ซึ่งล้อมรอบแกนกลางของอนุภาคที่ยังไม่ทำปฏิกิริยา การกำจัดชั้นพาสซิเวชันช่วยลดข้อจำกัดด้านการแพร่และทำให้วัสดุที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาสัมผัสกับวัฏภาคน้ำ ด้วยเหตุนี้ การใช้อัลตราซาวนด์จึงสามารถเพิ่มอัตราการเปลี่ยนสารผ่านปฏิกิริยาคาร์บอเนชันและจลนพลศาสตร์ของกระบวนการ – ส่งผลให้ได้ผลได้สูงขึ้นและปฏิกิริยาเร็วขึ้น