Onderzoekers stellen een methode voor die vrij is van organische oplosmiddelen voor de productie van vateriet op nanoschaal

Vateriet is een van de drie vormen van calciumcarbonaat, samen met calciet en aragoniet. Vateriet met nanogrootte is waardevol voor verschillende toepassingen, zoals medicijnafgifte, cosmetica en het opvullen van botdefecten, vanwege zijn biocompatibiliteit, hoge porositeit, oplosbaarheid en groot specifiek oppervlak.

Vateriet wordt niet vaak in de natuur aangetroffen, omdat het na verloop van tijd in calciet verandert. In laboratoriumomgevingen worden organische oplosmiddelen gebruikt om de herkristallisatie ervan te voorkomen en de deeltjesgroei te belemmeren. De oplosmiddelen zijn echter duur, zeer giftig en genereren veel afval, waardoor ze schadelijk zijn voor zowel mens als milieu. Daarom is er dringend behoefte aan een methode die deze uitdagingen omzeilt, kosteneffectief is en resulteert in een milieuvriendelijke synthese van vateriet.

Om deze zorgen in verband met de productie van vateriet aan te pakken, heeft een team van onderzoekers van de Korea Maritime & Ocean University, onder leiding van professor Myoung-Jin Kim van de afdeling Milieutechniek, een indirecte carbonatatiemethode gerapporteerd waarbij zeewater wordt gebruikt om vateriet van nanogrootte te produceren. Hun werk werd gepubliceerd in Ultrasone sonochemie.

Over de door hen ontwikkelde methode zegt prof. Kim: “Het hele proces bestaat uit drie fasen: calciumelutie, carbonatatie en veroudering.” In de calcium-elutiefase wordt een oplossing die zeewater en sucrose bevat, gemengd met calciumoxide. De magnesiumionen die in zeewater aanwezig zijn, vergemakkelijken het oplossen van calcium in de oplossing, wat leidt tot het vrijkomen van vrij Ca²⁺ ionen. Sucrose vormt een complex met Ca²⁺ ionen.

De geëlueerde Ca²⁺ ionen worden vervolgens gereageerd met geïnjecteerd kooldioxide in de carbonatatiefase, wat resulteert in de vorming van calciumcarbonaat (CaCO₃) als een vast neerslag. De groei van de CaCO₃ deeltjes worden vervolgens onderdrukt door ultrasone trillingen gegenereerd door een sonificator. Vervolgens ondergaat het mengsel veroudering, waarbij CaCO₃ deeltjes worden verder verkleind, wat resulteert in de vorming van vateriet van nanogrootte.

Elke stap van de voorgestelde methode draagt ​​bij aan de productie van vateriet en het verkleinen van de deeltjesgrootte, waarbij optimale omstandigheden resulteren in deeltjes van nanogrootte met 100% vateriet. De grootte en het gehalte van vateriet zijn zeer gevoelig voor de sucroseconcentratie die wordt gebruikt in de calciumelutiefase. De onderzoekers melden verder dat de ideale concentratie 2,3 mM bleek te zijn, wat een grote hoeveelheid vrij Ca produceerde²⁺ ionen, zonder de viscositeit van de oplossing te verhogen.

Bij de carbonatatiestap is het controleren van de eind-pH, de ultrasone intensiteit en de roersnelheid van cruciaal belang. De onderzoekers stelden vast dat het stoppen van de carbonatatiereactie bij een pH-waarde van 8 of 9 resulteerde in een vaterietgehalte van 100%, terwijl ultrasone trillingen bij een intensiteit van 30% en roeren bij 400-600 rpm deeltjes van nanogrootte produceerden. Bovendien was roeren met een snelheid van 200 rpm gedurende 10 minuten optimaal voor veroudering.

Het resultaat van deze stappen is de productie van zuiver vateriet met deeltjesgroottes van 683 nm, bereikt zonder organische oplosmiddelen. “Deze bevindingen benadrukken de mogelijkheid van massaproductie van vateriet met nanogrootte met behulp van zeewater, dat een milieuvriendelijk oplosmiddel is. De voorgestelde methode kan vanuit economisch en milieuoogpunt zeer voordelig zijn voor de massaproductie van vateriet met nanogrootte, zonder dat een substantiële hoeveelheid organisch oplosmiddel nodig is. ”, besluit prof. Kim.