Vaterit ist neben Calcit und Aragonit eine der drei Formen von Calciumcarbonat. Nanogroßer Vaterit ist aufgrund seiner Biokompatibilität, hohen Porosität, Löslichkeit und großen spezifischen Oberfläche für verschiedene Anwendungen wertvoll, beispielsweise für die Arzneimittelabgabe, für Kosmetika und zum Auffüllen von Knochendefekten.
Vaterit kommt in der Natur nicht häufig vor, da es sich mit der Zeit in Calcit umwandelt. In Laborumgebungen werden organische Lösungsmittel verwendet, um die Rekristallisation zu verhindern und das Partikelwachstum zu verhindern. Allerdings sind die Lösungsmittel teuer, hochgiftig und erzeugen erhebliche Mengen an Abfall, wodurch sie sowohl für Mensch als auch für die Umwelt schädlich sind. Daher besteht ein dringender Bedarf an einer Methode, die diese Herausforderungen umgeht, kostengünstig ist und zu einer umweltfreundlichen Synthese von Vaterit führt.
Ein Forscherteam der Korea Maritime & Ocean University unter der Leitung von Professor Myoung-Jin Kim vom Department of Environmental Engineering geht auf diese Bedenken im Zusammenhang mit der Vateritproduktion ein und hat über eine indirekte Karbonisierungsmethode berichtet, bei der Meerwasser zur Herstellung von Vaterit in Nanogröße verwendet wird. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in Ultraschall-Sonochemie.
Über die von ihnen entwickelte Methode sagt Prof. Kim: „Der gesamte Prozess besteht aus drei Phasen: Kalziumelution, Karbonisierung und Alterung.“ In der Calcium-Elutionsstufe wird eine Lösung, die Meerwasser und Saccharose enthält, mit Calciumoxid vermischt. Die im Meerwasser vorhandenen Magnesiumionen erleichtern die Auflösung von Kalzium in der Lösung, was zur Freisetzung freier Ca2+-Ionen führt. Saccharose bildet mit Ca2+-Ionen einen Komplex.
Die eluierten Ca2+-Ionen reagieren dann in der Karbonisierungsstufe mit injiziertem Kohlendioxid, was zur Bildung von Calciumcarbonat (CaCO3) als festem Niederschlag führt. Das Wachstum der CaCO3-Partikel wird anschließend durch Ultraschallschwingungen, die von einem Ultraschallgerät erzeugt werden, unterdrückt. Anschließend erfolgt eine Alterung der Mischung, bei der die CaCO3-Partikel weiter verkleinert werden, was zur Bildung von nanoskaligem Vaterit führt.
Jeder Schritt der vorgeschlagenen Methode trägt zur Vateritproduktion und Partikelgrößenreduzierung bei, wobei optimale Bedingungen zu nanoskaligen Partikeln mit 100 % Vaterit führen. Die Größe und der Gehalt an Vaterit hängen stark von der Saccharosekonzentration ab, die in der Calciumelutionsstufe verwendet wird. Die Forscher berichten weiter, dass die ideale Konzentration bei 2,3 mM lag, wodurch eine große Menge freier Ca2+-Ionen erzeugt wurde, ohne die Viskosität der Lösung zu erhöhen.
Im Karbonisierungsschritt ist die Kontrolle des End-pH-Werts, der Ultraschallintensität und der Rührgeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung. Die Forscher stellten fest, dass das Stoppen der Karbonisierungsreaktion bei pH-Werten von 8 oder 9 zu einem Vateritgehalt von 100 % führte, während Ultraschall bei 30 % Intensität und Rühren bei 400–600 U/min Partikel in Nanogröße erzeugte. Darüber hinaus war das Rühren bei einer Geschwindigkeit von 200 U/min für 10 Minuten optimal für die Alterung.
Das Ergebnis dieser Schritte ist die Herstellung von reinem Vaterit mit Partikelgrößen von 683 nm, die ohne organische Lösungsmittel erreicht wird. „Diese Ergebnisse unterstreichen die Möglichkeit der Massenproduktion von Vaterit in Nanogröße unter Verwendung von Meerwasser, einem umweltfreundlichen Lösungsmittel. Die vorgeschlagene Methode kann aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht für die Massenproduktion von Vaterit in Nanogröße äußerst vorteilhaft sein, ohne dass eine erhebliche Menge an organischem Lösungsmittel erforderlich ist.“ „, schließt Prof. Kim.
Mehr Informationen:
Sehun Kim et al., Nanogroße Vateritproduktion durch indirekte Karbonisierung ohne organische Lösungsmittel, Ultraschall-Sonochemie (2023). DOI: 10.1016/j.ultsonch.2023.106495
Bereitgestellt von der National Korea Maritime and Ocean University