Forskere foreslår en organisk-opløsningsmiddelfri metode til fremstilling af vaterit i nanostørrelse

Vaterit er en af ​​de tre former for calciumcarbonat sammen med calcit og aragonit. Vaterit i nanostørrelse er værdifuld til forskellige applikationer, såsom medicinafgivelse, kosmetik og fyldning af knogledefekter, på grund af dets biokompatibilitet, høje porøsitet, opløselighed og store specifikke overfladeareal.

Vaterit er ikke almindeligt forekommende i naturen, da det omdannes til calcit over tid. I laboratoriemiljøer bruges organiske opløsningsmidler til at forhindre dets omkrystallisering og hindre partikelvækst. Opløsningsmidlerne er dog dyre, meget giftige og genererer betydeligt affald, hvilket gør dem skadelige for både mennesker og miljø. Derfor er der et presserende behov for en metode, der omgår disse udfordringer, er omkostningseffektiv og resulterer i en miljøvenlig syntese af vaterit.

For at imødegå disse bekymringer forbundet med vateritproduktion har et team af forskere fra Korea Maritime &Ocean University, ledet af professor Myoung-Jin Kim fra Institut for Miljøteknik, rapporteret om en indirekte kulsyretilførselsmetode, der bruger havvand til at producere vaterit i nanostørrelse. Deres arbejde blev udgivet i Ultrasonics Sonochemistry .

Taler om metoden udviklet af dem, siger prof. Kim:"Hele processen består af tre faser:calciumeluering, kulsyredannelse og aldring." I calciumelueringsstadiet blandes en opløsning indeholdende havvand og saccharose med calciumoxid. Magnesiumionerne i havvand letter opløsningen af ​​calcium i opløsningen, hvilket fører til frigivelse af frit Ca ²⁺ ioner. Saccharose danner et kompleks med Ca ²⁺ ioner.

Det eluerede Ca ²⁺ ioner omsættes derefter med indsprøjtet kuldioxid i kulsyrefasen, hvilket resulterer i dannelsen af ​​calciumcarbonat (CaCO₃ ) som et fast bundfald. Væksten af ​​CaCO₃ partikler undertrykkes efterfølgende af ultralydsvibrationer genereret af en sonifier. Efterfølgende gennemgår blandingen ældning, hvor CaCO₃ partikler reduceres yderligere i størrelse, hvilket resulterer i dannelsen af ​​vaterit i nanostørrelse.

Hvert trin i den foreslåede metode bidrager til vateritproduktion og partikelstørrelsesreduktion, med optimale forhold, der resulterer i partikler i nanostørrelse med 100 % vaterit. Størrelsen og indholdet af vaterite er meget følsomme over for den saccharosekoncentration, der anvendes i calciumelueringsstadiet. Forskerne rapporterer endvidere, at den ideelle koncentration viste sig at være 2,3 mM, hvilket producerede en stor mængde frit Ca ²⁺ ioner uden at øge opløsningens viskositet.

I kulsyretrinnet er kontrol af slut-pH, ultralydsintensitet og omrøringshastighed kritisk. Forskerne fastslog, at standsning af karbonatiseringsreaktionen ved pH-niveauer på 8 eller 9 resulterede i 100 % vateritindhold, mens ultralydbehandling ved 30 % intensitet og omrøring ved 400-600 rpm producerede partikler i nanostørrelse. Desuden var omrøring ved en hastighed på 200 rpm i 10 minutter optimal til ældning.

Resultatet af disse trin er produktionen af ​​ren vaterit med partikelstørrelser på 683 nm, opnået uden organiske opløsningsmidler. "Disse resultater fremhæver muligheden for at masseproducere vaterite i nanostørrelse ved hjælp af havvand, som er et miljøvenligt opløsningsmiddel. Den foreslåede metode kan være yderst fordelagtig ud fra økonomiske og miljømæssige synspunkter til masseproduktion af vaterit i nanostørrelse uden at kræve en væsentlig mængde organisk opløsningsmiddel. ," slutter prof. Kim.

Flere oplysninger: Sehun Kim et al., Nanostørrelse vateritproduktion gennem organisk-opløsningsmiddel-fri indirekte kulsyre, Ultrasonics Sonochemistry (2023). DOI:10.1016/j.ultsonch.2023.106495

Leveret af National Korea Maritime and Ocean University