La formazione di carbonato di calcio (CaCO3) nell'acqua ha ramificazioni per tutto, dalla produzione di cibo ed energia alla salute umana e alla disponibilità di acqua potabile. Ma nel contesto dell'ambiente odierno, studiare semplicemente come si forma il carbonato di calcio nell'acqua pura non è utile.

I ricercatori della Washington University della McKelvey School of Engineering di St. Louis hanno aperto la strada a metodi all'avanguardia per studiare la formazione di carbonato di calcio nell'acqua salata. I loro risultati, recentemente pubblicato in Journal of Physical Chemistry C , suggerire che, senza considerare i fattori cinetici, potremmo aver sopravvalutato la velocità con cui si forma il carbonato di calcio in ambienti salini.

"Adesso più che mai, è importante capire come si formano i minerali in condizioni altamente saline, " disse Young-Shin Jun, professore presso il Dipartimento di Energia, Ingegneria ambientale e chimica. Con la diffusione delle aree urbane, sempre più acqua dolce viene persa negli oceani a causa del deflusso. Un aumento della produzione di acqua salmastra si osserva anche nei processi industriali e di raccolta dell'energia, quali la desalinizzazione e la fratturazione idraulica.

Il gruppo di Jun ha iniziato con una domanda filosofica:a che punto nell'unione di ioni calcio e carbonato si "forma" effettivamente il carbonato di calcio?

"Le persone spesso dicono casualmente 'formazione' quando si riferiscono alla 'crescita' dei solidi, ma la formazione in realtà inizia prima, in fase di nucleazione, " ha detto Jun. "La nucleazione inizia nel momento in cui tutte le parti precursori sono andate a posto, raggiungendo una massa critica che crea un nucleo abbastanza grande e abbastanza stabile da continuare a crescere come solidi di carbonato di calcio".

La nucleazione è, non sorprende, difficile da osservare perché avviene su scala nanometrica. Quindi, spesso si presume che questo processo abbia avuto luogo. Piuttosto che prestare attenzione alla nucleazione come fenomeno separato, i ricercatori hanno tradizionalmente dedicato maggiori sforzi alla comprensione della crescita.

Lavorando nel nord dell'Illinois presso l'Advanced Photon Source nell'Argonne National Laboratory con un metodo di diffusione dei raggi X molto potente basato su sincrotrone noto come scattering di raggi X a piccolo angolo di incidenza radente (GISAXS), Il laboratorio di Jun ha creato celle di reazione ambientale uniche e osservato eventi di nucleazione in tempo reale in ambienti acquosi. Possono vedere il momento della nucleazione, che consente loro di confrontare da vicino i tassi di nucleazione in acque di diversa salinità.

La concentrazione di sale nell'acqua varia ampiamente; l'acqua di mare contiene circa 35 grammi di sale per litro, mentre l'acqua utilizzata nella fratturazione idraulica (o fracking) contiene concentrazioni di sali ancora più elevate. Però, senza considerare la salinità, la maggior parte degli studi ha esplorato come il minerale interagisce con il substrato su cui cresce, ad esempio, di cosa è fatto un tubo dell'acqua o una membrana, e in che modo quel materiale influisce sulla formazione delle scaglie di calcio?

Ma queste non sono le uniche interazioni importanti.

"Dobbiamo aggiungere salinità a questa matrice, " Jun ha detto. "In che modo la chimica dell'acqua salina influisce sulla nucleazione? Non accade nel vuoto".

Una relazione importante nel determinare la probabilità di nucleazione è l'equilibrio tra la termodinamica e la cinetica del particolare sistema. Termodinamicamente, è necessaria una quantità specifica di energia per guidare la nucleazione; se tale energia (nota come energia interfacciale) è sufficientemente bassa, allora la nucleazione può avvenire spontaneamente.

La cinetica si riferisce ai movimenti dei blocchi costitutivi di dimensioni sub e nanometriche (precursori) che possono o meno raggiungere quella massa critica (chiamata dimensione critica del nucleo) e continuare a crescere come carbonato di calcio. Come con la stessa nucleazione, osservare la cinetica di queste particelle è difficile. Storicamente, il fattore cinetico è stato considerato meno importante del parametro termodinamico, e si presumeva fosse una costante. Ma è vero anche per l'acqua altamente salina?

"La gente ha pensato che la cinetica non fosse importante perché dovrebbe essere la stessa, non importa cosa, " ha detto Jun. Ma usando GISAXS, Jun e il suo ex studente di dottorato Qingyun Li, ora alla Stanford University, sono stati in grado di descrivere quantitativamente la relazione tra il fattore cinetico (J0) e il parametro termodinamico (energia interfacciale, α) della nucleazione del carbonato di calcio, utilizzando quarzo come substrato. criticamente, sono stati in grado di testarlo in acqua con salinità variabili.

Si scopre che in acqua con elevata salinità, l'energia interfacciale è inferiore a quella dell'acqua pura, il che significa che la nucleazione può avvenire più facilmente. Però, il fattore cinetico, correlato alla velocità con cui vengono consegnati gli elementi costitutivi, è lento.

"Se teniamo conto solo della termodinamica quando prevediamo il sistema, stiamo sopravvalutando il tasso di nucleazione. L'impatto dei fattori cinetici dovrebbe essere incluso, " ha detto Jun.

Questo impatto è importante per una serie di ragioni oltre al semplice avere una migliore comprensione di base della formazione dei minerali.

"Lo sviluppo socioeconomico senza precedenti ha accelerato il nostro fabbisogno di acqua dolce, " ha detto Jun. "Inoltre, un grande volume di acqua super-salina viene generato da siti di recupero di acqua ed energia, come gli impianti di desalinizzazione e il recupero di petrolio e gas convenzionale/non convenzionale mediante fratturazione idraulica.

"Così, progettare sistemi sostenibili per la produzione di acqua ed energia, abbiamo urgente bisogno di una buona comprensione di come l'acqua altamente salina possa influenzare la nucleazione del carbonato di calcio, che possono ridurre le loro efficienze di processo, " ha detto Jun.

"È una scoperta entusiasmante. Cambiando la cinetica e la termodinamica, possiamo progettare una superficie per prevenire la nucleazione. Sapendo quando e dove avviene la nucleazione, possiamo prevenirlo o ridurlo, prolungare la durata delle condutture o delle membrane di purificazione dell'acqua.

"Al contrario, possiamo anche aumentare la nucleazione dove ne abbiamo bisogno, come nello stoccaggio geologico di CO2, " ha detto. "Questa comprensione di base ci dà potere e controllo."