Vaterit är en av de tre formerna av kalciumkarbonat, tillsammans med kalcit och aragonit. Vaterit i nanostorlek är värdefullt för olika applikationer, såsom läkemedelstillförsel, kosmetika och fyllning av bendefekter, på grund av dess biokompatibilitet, höga porositet, löslighet och stora specifika ytarea.

Vaterit är inte vanligt förekommande i naturen eftersom det omvandlas till kalcit med tiden. I laboratoriemiljöer används organiska lösningsmedel för att förhindra dess omkristallisering och hindra partikeltillväxt. Lösningsmedlen är dock dyra, mycket giftiga och genererar betydande avfall, vilket gör dem skadliga både för människor och miljön. Därför finns det ett akut behov av en metod som kringgår dessa utmaningar, är kostnadseffektiv och resulterar i en miljövänlig syntes av vaterit.

Ett team av forskare från Korea Maritime &Ocean University, ledd av professor Myoung-Jin Kim vid Institutionen för miljöteknik, har tagit itu med dessa problem som är förknippade med vateritproduktion, rapporterat en indirekt kolsyrametod som använder havsvatten för att producera vaterit i nanostorlek. Deras arbete publicerades i Ultrasonics Sonochemistry .

På tal om metoden som utvecklats av dem, säger Prof. Kim:"Hela processen består av tre steg:kalciumeluering, kolsyra och åldrande." I kalciumelueringssteget blandas en lösning innehållande havsvatten och sackaros med kalciumoxid. Magnesiumjonerna som finns i havsvatten underlättar upplösningen av kalcium i lösningen, vilket leder till frigöring av fritt Ca ²⁺ joner. Sackaros bildar ett komplex med Ca ²⁺ joner.

Den eluerade Ca ²⁺ joner reageras sedan med injicerad koldioxid i karbonatiseringssteget, vilket resulterar i bildning av kalciumkarbonat (CaCO₃ 30 fällning. Tillväxten av CaCO₃ partiklar undertrycks därefter av ultraljudsvibrationer som genereras av en sonifier. Därefter genomgår blandningen åldring, där CaCO₃ partiklar reduceras ytterligare i storlek, vilket resulterar i bildandet av nanostor vaterite.

Varje steg i den föreslagna metoden bidrar till vateritproduktion och partikelstorleksminskning, med optimala förhållanden som resulterar i nanostora partiklar med 100 % vaterite. Storleken och innehållet av vaterite är mycket känsliga för sackaroskoncentrationen som används i kalciumelueringssteget. Forskarna rapporterar vidare att den ideala koncentrationen befanns vara 2,3 mM, vilket producerade en stor mängd fritt Ca ²⁺ joner, utan att öka lösningens viskositet.

I kolsyresteget är det kritiskt att kontrollera slut-pH, ultraljudsintensitet och omrörningshastighet. Forskarna fastställde att att stoppa kolsyrareaktionen vid pH-nivåer på 8 eller 9 resulterade i 100 % vateriteinnehåll, medan ultraljudsbehandling vid 30 % intensitet och omrörning vid 400–600 rpm gav partiklar i nanostorlek. Dessutom var omrörning vid en hastighet av 200 rpm i 10 minuter optimal för åldring.

Resultatet av dessa steg är produktion av ren vaterit med partikelstorlekar på 683 nm, uppnådd utan organiska lösningsmedel. "Dessa resultat belyser möjligheten att massproducera nanostor vaterite med havsvatten, som är ett miljövänligt lösningsmedel. Den föreslagna metoden kan vara mycket fördelaktig ur ekonomiska och miljömässiga synpunkter för massproduktion av nanostor vaterite, utan att kräva en betydande mängd organiskt lösningsmedel. ", avslutar prof. Kim.

Mer information: Sehun Kim et al, Nanosized vaterite-produktion genom indirekt kolsyra fri från organiskt lösningsmedel, Ultrasonics Sonochemistry (2023). DOI:10.1016/j.ultsonch.2023.106495

Tillhandahålls av National Korea Maritime and Ocean University