Карбонізація мінералів, посилена ультразвуком

Мінеральна карбонізація - це реакція вуглекислого газу з лужними мінералами, такими як кальцій або оксид магнію. Карбонізація мінералів використовується для промислового виробництва твердих частинок у фармацевтичній, полімерній та добривній промисловості, а також для секвестрації діоксиду вуглецю в лужних матеріалах. Обробка частинок за допомогою енергетичного ультразвуку була визнана успішним засобом інтенсифікації процесу, що призводить до більш високого конверсії карбонізації і більш швидкої реакції.

Карбонізація мінералів: процес та обмеження

Для карбонізації газують природні і відпрацьовані матеріали через наявність в їх складі лужних оксидів, гідроксидів або силікатів. Процес карбонізації складається з наступних етапів реакції:

Етапи карбонізації мінералів

Для реакції карбонізації частинки повинні бути доступні для реагентів. Це означає, що для покращення процесу карбонізації потрібна поверхня з високим вмістом частинок без пасивуючих шарів.
Утворення все більш товстого і щільного карбонатного шару, що оточує стискається непрореагированное ядро твердої частинки, створює три етапи, що обмежують швидкість:

• гідратація оксидів / силікатів;
• вимивання катіонів; і
• дифузія в зону реакції.

Щоб удосконалити процес карбонізації, ці обмеження повинні бути подолані за допомогою технології. Ультразвук високої потужності успішно застосовується в якості технології інтенсифікації процесу, що підвищує швидкість карбонізації і швидкість реакції.

Рішення: ультразвукова карбонізація

Дослідницькою групою Левенського університету Католієке в Бельгії, “Доведено, що ультразвук є потенційно корисним інструментом для інтенсифікації процесів карбонізації мінералів. Завдяки посиленому перемішуванню, розпаду частинок і видаленню пасивуючих шарів карбонату кальцію вдалося прискорити кінетику реакції і досягти більшого ступеня карбонізації в більш короткі терміни. Більш того, в поєднанні з іонами магнію в розчині ультразвук значно підсилює синтез кристалів арагоніту, як за рахунок зниження необхідної концентрації магнію, так і зниження температури реакції до стану, близького до навколишнього середовища.”
[Сантос та ін. 2011, с.114]

Коротко про переваги:

• Розподіл дрібнодисперсних частинок за розміром ультразвуковим змішуванням, деагломерацією & Фрезерні
• УЗД видаляє пасивуючі нашарування
• Ультразвук підсилює кінетику реакції
• УЗД знижує основність
• Інтенсифікація ультразвукового процесу: вищий вихід, швидша реакція

Ультразвуковий вплив на карбонізацію мінералів. [Сантос та ін., 2013]

Обробка ультразвуковими частинками

Ультразвук є потужним засобом для лікування суспензій частинок. Інтенсивні ультразвукові сили створюють механічну вібрацію і сильну кавітацію в рідинах. Ці високі напружені сили можуть розбити агломериати і навіть первинні частинки, тому ультразвук високої потужності/низької частоти є надійним методом для Фрезерні, деагломерація і Диспергування Додатків.

СЕМ знімки оксиду кальцію спочатку (а) і через 10 хвилин після ультразвукового дослідження (б). [Сантос та ін., 2012]

Ультразвукове фрезерування в процесі карбонізації суспензій створює дрібні частинки з великою площею поверхні. Крім фрагменації частинок, звуковий звук також видаляє відкладення з поверхні частинок, такі як карбонізовані оболонки або збіднені шари матриці, які оточують непрореаговане ядро частинок. За рахунок видалення пасивуючих шарів зменшуються обмеження дифузії, а непрореагированний матеріал піддається впливу водної фази. Таким чином, ультразвук може збільшити конверсію карбонізації та кінетику процесу, що призводить до вищих виходів і швидшої реакції.

Ультразвуковий вплив на частинки [Santos et al. 2011]