La vaterite è una delle tre forme di carbonato di calcio, insieme alla calcite e all'aragonite. La vaterite nanodimensionata è preziosa per varie applicazioni, come la somministrazione di farmaci, i cosmetici e il riempimento di difetti ossei, grazie alla sua biocompatibilità, elevata porosità, solubilità e ampia area superficiale specifica.
La vaterite non si trova comunemente in natura poiché nel tempo si trasforma in calcite. In ambienti di laboratorio, i solventi organici vengono utilizzati per prevenirne la ricristallizzazione e ostacolare la crescita delle particelle. Tuttavia, i solventi sono costosi, altamente tossici e generano rifiuti significativi, rendendoli dannosi sia per l’uomo che per l’ambiente. Pertanto, esiste un urgente bisogno di un metodo che eluda queste sfide, sia economicamente vantaggioso e si traduca in una sintesi della vaterite rispettosa dell'ambiente.
Affrontando queste preoccupazioni associate alla produzione di vaterite, un team di ricercatori della Korea Maritime &Ocean University, guidato dal professor Myoung-Jin Kim del Dipartimento di ingegneria ambientale, ha segnalato un metodo di carbonatazione indiretta che utilizza l’acqua di mare per produrre vaterite di dimensioni nanometriche. Il loro lavoro è stato pubblicato in Ultrasonics Sonochemistry .
Parlando del metodo da loro sviluppato, il Prof. Kim afferma:"L'intero processo comprende tre fasi:eluizione del calcio, carbonatazione e invecchiamento". Nella fase di eluizione del calcio, una soluzione contenente acqua di mare e saccarosio viene miscelata con ossido di calcio. Gli ioni magnesio presenti nell'acqua di mare facilitano la dissoluzione del calcio nella soluzione, portando al rilascio di Ca 2+ libero ioni. Il saccarosio forma un complesso con Ca 2+ ioni.
Il Ca 2+ eluito gli ioni vengono quindi fatti reagire con l'anidride carbonica iniettata nella fase di carbonatazione, con conseguente formazione di carbonato di calcio (CaCO3 ) come precipitato solido. La crescita del CaCO3 le particelle vengono successivamente soppresse dalle vibrazioni ultrasoniche generate da un sonificatore. Successivamente la miscela subisce un invecchiamento, dove CaCO3 le particelle vengono ulteriormente ridotte di dimensioni, con conseguente formazione di vaterite nanometrica.
Ogni fase del metodo proposto contribuisce alla produzione di vaterite e alla riduzione delle dimensioni delle particelle, con condizioni ottimali che danno come risultato particelle nanometriche con il 100% di vaterite. Le dimensioni e il contenuto di vaterite sono altamente sensibili alla concentrazione di saccarosio utilizzata nella fase di eluizione del calcio. I ricercatori riferiscono inoltre che la concentrazione ideale è risultata essere 2,3 mM, che ha prodotto una grande quantità di Ca 2+ libero ioni, senza aumentare la viscosità della soluzione.
Nella fase di carbonatazione, il controllo del pH finale, dell'intensità degli ultrasuoni e della velocità di agitazione è fondamentale. I ricercatori hanno stabilito che l'arresto della reazione di carbonatazione a livelli di pH pari a 8 o 9 ha prodotto un contenuto di vaterite del 100%, mentre l'ultrasonicazione con un'intensità del 30% e l'agitazione a 400-600 giri al minuto hanno prodotto particelle di dimensioni nanometriche. Inoltre, l'agitazione ad una velocità di 200 giri al minuto per 10 minuti era ottimale per l'invecchiamento.
Il risultato di questi passaggi è la produzione di vaterite pura con dimensioni delle particelle di 683 nm, ottenuta senza solventi organici. "Questi risultati evidenziano la possibilità di produrre in serie vaterite di dimensioni nanometriche utilizzando acqua di mare, che è un solvente rispettoso dell'ambiente. Il metodo proposto può essere altamente vantaggioso dal punto di vista economico e ambientale per la produzione di massa di vaterite di dimensioni nanometriche, senza richiedere una quantità sostanziale di solvente organico ," conclude il Prof. Kim.
Ulteriori informazioni: Sehun Kim et al, Produzione di vaterite nanodimensionata tramite carbonatazione indiretta priva di solventi organici, Sonochimica ad ultrasuoni (2023). DOI:10.1016/j.ultsonch.2023.106495
Fornito dalla National Korea Maritime and Ocean University
