De vorming van calciumcarbonaat (CaCO3) in water heeft gevolgen voor alles, van voedsel- en energieproductie tot de menselijke gezondheid en de beschikbaarheid van drinkbaar water. Maar in de context van de huidige omgeving, simpelweg bestuderen hoe calciumcarbonaat zich vormt in zuiver water is niet nuttig.

Onderzoekers van de Washington University in St. Louis's McKelvey School of Engineering hebben baanbrekende methoden ontwikkeld om de vorming van calciumcarbonaat in zout water te bestuderen. hun resultaten, onlangs gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry C , suggereert dat, zonder rekening te houden met kinetische factoren, we hebben misschien overschat hoe snel calciumcarbonaat wordt gevormd in zoute omgevingen.

"Nu meer dan ooit, het is belangrijk om te begrijpen hoe mineralen zich vormen onder zeer zoute omstandigheden, " zei Young-Shin Jun, hoogleraar bij de afdeling Energie, Milieu &Chemische Technologie. Naarmate stedelijke gebieden zich uitbreiden, steeds meer zoet water gaat via afvoer naar de oceanen. Een verhoogde productie van zout water wordt ook gezien in industriële en energiewinningsprocessen, zoals ontzilting en hydrofracturering.

De groep van Jun begon met een filosofische vraag:op welk punt in het samenkomen van calcium- en carbonaationen "vormt" calciumcarbonaat eigenlijk?

"Mensen zeggen vaak terloops 'formatie' als ze verwijzen naar de 'groei' van vaste stoffen, maar de vorming begint eigenlijk eerder, in de kiemvormingsfase, Jun zei. "Nucleatie begint op het moment dat alle voorloperdelen op hun plaats zijn gevallen, het bereiken van een kritische massa die een kern creëert die groot genoeg en stabiel genoeg is om te blijven groeien als vaste calciumcarbonaat."

Nucleatie is, niet verrassend, moeilijk waar te nemen omdat het op nanoschaal gebeurt. Vandaar, dit proces wordt vaak gewoon verondersteld te hebben plaatsgevonden. In plaats van aandacht te besteden aan nucleatie als een apart fenomeen, onderzoekers hebben traditioneel meer moeite gedaan om groei te begrijpen.

Werken in het noorden van Illinois bij de Advanced Photon Source in het Argonne National Laboratory met een zeer krachtige op synchrotron gebaseerde röntgenverstrooiingsmethode die bekend staat als grazing-incidentie kleine hoek röntgenverstrooiing (GISAXS), Het laboratorium van Jun heeft unieke reactiecellen in de omgeving gecreëerd en realtime nucleatiegebeurtenissen in waterige omgevingen waargenomen. Ze kunnen het moment van nucleatie zien, waardoor ze de nucleatiesnelheden in wateren met verschillende zoutgehalten nauwkeurig kunnen vergelijken.

De zoutconcentratie in water varieert sterk; zeewater heeft ongeveer 35 gram zout per liter, terwijl water dat wordt gebruikt bij hydraulisch breken (of fracken) zelfs hogere concentraties aan zouten bevat. Echter, zonder rekening te houden met het zoutgehalte, de meeste studies hebben onderzocht hoe het mineraal interageert met het substraat waarop het groeit, bijvoorbeeld waar is een waterleiding of een membraan van gemaakt, en hoe beïnvloedt dat materiaal de vorming van kalkaanslag?

Maar dat zijn niet de enige belangrijke interacties.

"We moeten zoutgehalte toevoegen aan deze matrix, " zei Jun. "Hoe beïnvloedt de chemie van zout water de kiemvorming? Het gebeurt niet in een vacuüm."

Een belangrijke relatie bij het bepalen van de waarschijnlijkheid van nucleatie is de balans tussen de thermodynamica en kinetiek van het specifieke systeem. thermodynamisch, er is een specifieke hoeveelheid energie nodig om kiemvorming aan te drijven; als die energie (bekend als de grensvlakenergie) voldoende laag is, dan kan nucleatie spontaan optreden.

Kinetiek verwijst naar de bewegingen van de bouwstenen (voorlopers) van sub- en nanometerformaat die al dan niet die kritische massa bereiken (de kritische kerngrootte genoemd) en verder groeien als calciumcarbonaat. Net als bij nucleatie zelf, het observeren van de kinetiek van deze deeltjes is moeilijk. historisch, de kinetische factor werd als minder belangrijk beschouwd dan de thermodynamische parameter, en werd verondersteld een constante te zijn. Maar geldt dit ook voor zeer zout water?

"Mensen hebben gedacht dat kinetiek niet belangrijk is omdat het hetzelfde zou moeten zijn, maakt niet uit wat, " zei Jun. Maar met GISAXS, Jun en haar voormalige promovendus Qingyun Li, nu aan de Stanford University, waren in staat om de relatie tussen de kinetische factor (J0) en de thermodynamische parameter (grensvlakenergie, α) van calciumcarbonaatkiemvorming, met behulp van kwarts als substraat. Kritisch, ze konden het testen in water met verschillende zoutgehaltes.

Het blijkt dat in water met een hoog zoutgehalte, grensvlak-energie is lager dan in zuiver water, wat betekent dat nucleatie gemakkelijker kan gebeuren. Echter, de kinetische factor - gerelateerd aan hoe snel de bouwstenen worden geleverd - is traag.

"Als we alleen rekening houden met thermodynamica als we het systeem voorspellen, we overschatten de snelheid van nucleatie. De impact van kinetische factoren moet worden opgenomen, ' zei Jun.

Deze impact is om een ​​groot aantal redenen belangrijk, naast een beter basisbegrip van de vorming van mineralen.

"Ongekende sociaaleconomische ontwikkeling heeft onze behoefte aan zoet water versneld, "Zei Jun. "Ook, een grote hoeveelheid superzout water wordt gegenereerd uit water- en energieterugwinningslocaties, zoals ontziltingsinstallaties en conventionele/onconventionele olie- en gaswinning met behulp van hydrofracturering.

"Dus, het ontwerpen van duurzame water- en energieproductiesystemen, we hebben dringend een goed begrip nodig van hoe sterk zout water de kiemvorming van calciumcarbonaat kan beïnvloeden, die hun procesefficiëntie kunnen verminderen, ' zei Jun.

"Het is een opwindende bevinding. Door de kinetiek en thermodynamica te veranderen, we kunnen een oppervlak ontwerpen om kiemvorming te voorkomen. Door te weten wanneer en waar de kiemvorming plaatsvindt, we kunnen het voorkomen of verminderen, verlenging van de levensduur van pijpleidingen of waterzuiveringsmembranen.

"Omgekeerd, we kunnen ook de nucleatie verhogen waar we het nodig hebben, zoals bij geologische CO2-opslag, "zei ze. "Dit basisbegrip geeft ons macht en controle."