Карбонатизація мінералів, посилена ультразвуком

Карбонатизація мінералів – це реакція діоксиду вуглецю з лужними мінералами, такими як оксид кальцію або магнію. Карбонатизацію мінералів використовують для промислового виробництва твердих частинок у фармацевтичній, полімерній промисловості та виробництві добрив, а також для зв’язування діоксиду вуглецю в лужних матеріалах. Обробка частинок потужним ультразвуком виявилася успішним засобом інтенсифікації процесу, що забезпечує вищий ступінь перетворення під час карбонатизації та більшу швидкість реакції.

Карбонатизація мінералів: процес та обмеження

Природні матеріали та відходи піддають карбонатизації завдяки наявності в їхньому складі лужних оксидів, гідроксидів або силікатів. Процес карбонатизації складається з таких стадій реакції:

Для реакції карбонатизації частинки мають бути доступними для реагентів. Це означає, що для поліпшення процесу карбонатизації потрібна велика площа поверхні частинок без пасивувальних шарів.
Утворення дедалі товстішого та щільнішого карбонатного шару навколо непрореагованого ядра твердої частинки, яке зменшується, створює три стадії, що обмежують швидкість процесу:

• гідратація оксидів/силікатів;
• вилуговування катіонів; та
• дифузія до зони реакції.

Для поліпшення процесу карбонатизації ці обмеження необхідно подолати за допомогою допоміжної технології. Потужний ультразвук успішно застосовують як технологію інтенсифікації процесу, що підвищує швидкість карбонатизації та швидкість реакції.

Рішення: ультразвукова карбонатизація

За даними дослідницької групи Katholieke Universiteit Leuven у Бельгії, «доведено, що ультразвук є потенційно корисним інструментом для інтенсифікації процесів карбонатизації мінералів. Завдяки поліпшеному перемішуванню, руйнуванню частинок і видаленню пасивувальних шарів карбонату кальцію вдалося прискорити кінетику реакції та досягти вищого ступеня карбонатизації за коротший час. Крім того, у поєднанні з іонами магнію в розчині ультразвук значно посилює синтез кристалів арагоніту, знижуючи як необхідну концентрацію магнію, так і температуру реакції до значень, близьких до температури навколишнього середовища».
[Santos et al. 2011, p.114]

Коротко про переваги:

• розподіл розмірів дрібних частинок завдяки ультразвуковому перемішуванню, дезагломерації та подрібненню
• ультразвук видаляє пасивувальні шари
• ультразвук прискорює кінетику реакції
• ультразвук знижує основність
• ультразвукова інтенсифікація процесу: вищий вихід, швидша реакція

Ультразвукова обробка частинок

Ультразвукова обробка є потужним інструментом для обробки суспензій частинок. Інтенсивні ультразвукові сили створюють механічні коливання та потужну кавітацію в рідинах. Ці сили створюють високі механічні напруження й можуть руйнувати агломерати та навіть первинні частинки, тому ультразвук високої потужності та низької частоти є надійним методом для таких операцій, як подрібнення, дезагломерація та диспергування у технологічних процесах.

Ультразвукове подрібнення під час карбонатизації суспензій утворює дрібні частинки з великою площею поверхні. Крім фрагментації частинок, ультразвукова обробка також видаляє відкладення з їхньої поверхні, зокрема карбонатизовані оболонки або збіднені шари матриці, що оточують непрореаговане ядро частинки. Видалення пасивувальних шарів зменшує дифузійні обмеження та забезпечує контакт непрореагованого матеріалу з водною фазою. Таким чином, ультразвукова обробка може підвищити ступінь перетворення під час карбонатизації та прискорити кінетику процесу – забезпечуючи вищий вихід і швидшу реакцію.