Cacbonat hóa khoáng được tăng cường bằng siêu âm

Cacbonat hóa khoáng là phản ứng của cacbon đioxit với các khoáng chất có tính kiềm như canxi oxit hoặc magie oxit. Cacbonat hóa khoáng được sử dụng để sản xuất các hạt rắn ở quy mô công nghiệp trong ngành dược phẩm, polyme và phân bón, cũng như để cô lập cacbon đioxit trong các vật liệu có tính kiềm. Xử lý hạt bằng siêu âm công suất cao đã được chứng minh là một biện pháp tăng cường quá trình hiệu quả, giúp đạt mức chuyển hóa cacbonat hóa cao hơn và tốc độ phản ứng nhanh hơn.

Cacbonat hóa khoáng: Quá trình và các hạn chế

Trong quá trình cacbonat hóa, vật liệu tự nhiên và phế thải được cacbonat hóa nhờ sự hiện diện của các oxit, hydroxit hoặc silicat có tính kiềm trong thành phần của chúng. Quá trình cacbonat hóa gồm các bước phản ứng sau:

Để phản ứng cacbonat hóa diễn ra, các hạt phải tiếp xúc được với các chất phản ứng. Điều này có nghĩa là cần có diện tích bề mặt hạt lớn, không có các lớp thụ động hóa, để cải thiện quá trình cacbonat hóa.
Sự hình thành một lớp cacbonat ngày càng dày và đặc bao quanh phần lõi chưa phản ứng đang co lại của hạt rắn tạo ra ba bước giới hạn tốc độ:

• hydrat hóa các oxit/ silicat;
• hòa tách các cation; và
• khuếch tán đến vùng phản ứng.

Để cải thiện quá trình cacbonat hóa, cần khắc phục những hạn chế này bằng một công nghệ hỗ trợ quá trình. Siêu âm công suất cao đã được ứng dụng thành công như một công nghệ tăng cường quá trình, nâng cao tốc độ cacbonat hóa và tốc độ phản ứng.

Giải pháp: Cacbonat hóa bằng siêu âm

Theo nhóm nghiên cứu của Katholieke Universiteit Leuven tại Bỉ, “siêu âm đã được chứng minh là một công cụ có tiềm năng hữu ích để tăng cường các quá trình cacbonat hóa khoáng. Nhờ tăng cường sự trộn, phá vỡ hạt và loại bỏ các lớp canxi cacbonat gây thụ động hóa, có thể đẩy nhanh động học phản ứng và đạt mức độ cacbonat hóa cao hơn trong thời gian ngắn hơn. Hơn nữa, khi kết hợp với các ion magie trong dung dịch, siêu âm tăng cường đáng kể quá trình tổng hợp tinh thể aragonit, thông qua cả việc giảm nồng độ magie cần thiết lẫn giảm nhiệt độ phản ứng xuống gần điều kiện môi trường xung quanh.”
[Santos et al. 2011, p.114]

Tổng quan về các lợi ích:

• phân bố kích thước hạt mịn nhờ trộn, phá kết tụ và nghiền bằng siêu âm
• siêu âm loại bỏ các lớp thụ động hóa
• siêu âm tăng cường động học phản ứng
• siêu âm làm giảm tính bazơ
• tăng cường quá trình bằng siêu âm: hiệu suất cao hơn, phản ứng nhanh hơn

Xử lý hạt bằng siêu âm

Siêu âm là một công cụ mạnh mẽ để xử lý huyền phù hạt. Các lực siêu âm cường độ cao tạo ra dao động cơ học và hiện tượng xâm thực mạnh trong chất lỏng. Các lực gây ứng suất lớn này có thể phá vỡ các khối kết tụ và thậm chí cả các hạt sơ cấp, do đó siêu âm công suất cao/ tần số thấp là một phương pháp đáng tin cậy cho các ứng dụng nghiền, phá kết tụ và phân tán .

Quá trình nghiền bằng siêu âm trong khi cacbonat hóa huyền phù tạo ra các hạt nhỏ có diện tích bề mặt lớn. Ngoài việc làm vỡ hạt, xử lý bằng siêu âm còn loại bỏ các lớp lắng đọng trên bề mặt hạt, chẳng hạn như lớp vỏ đã cacbonat hóa hoặc các lớp nền đã bị suy kiệt bao quanh lõi hạt chưa phản ứng. Việc loại bỏ các lớp thụ động hóa làm giảm các hạn chế về khuếch tán và giúp vật liệu chưa phản ứng tiếp xúc với pha nước. Nhờ đó, xử lý bằng siêu âm có thể nâng cao mức chuyển hóa cacbonat hóa và động học của quá trình – mang lại hiệu suất cao hơn và phản ứng nhanh hơn.