La vatérite est l’une des trois formes de carbonate de calcium, avec la calcite et l’aragonite. La vatérite nanométrique est précieuse pour diverses applications, telles que l’administration de médicaments, les cosmétiques et le comblement de défauts osseux, en raison de sa biocompatibilité, de sa porosité élevée, de sa solubilité et de sa grande surface spécifique.
La vatérite n’est pas courante dans la nature car elle se transforme en calcite au fil du temps. En laboratoire, des solvants organiques sont utilisés pour empêcher sa recristallisation et entraver la croissance des particules. Cependant, les solvants sont coûteux, hautement toxiques et génèrent d’importants déchets, ce qui les rend nocifs tant pour l’homme que pour l’environnement. Par conséquent, il existe un besoin urgent d’une méthode qui contourne ces défis, soit rentable et aboutisse à une synthèse de vatérite respectueuse de l’environnement.
Répondant à ces préoccupations associées à la production de vatérite, une équipe de chercheurs de l’Université maritime et océanique de Corée, dirigée par le professeur Myoung-Jin Kim du Département de génie environnemental, a signalé une méthode de carbonatation indirecte qui utilise l’eau de mer pour produire de la vatérite de taille nanométrique. Leurs travaux ont été publiés dans Sonochimie ultrasonique.
Parlant de la méthode développée par eux, le professeur Kim déclare : « L’ensemble du processus comprend trois étapes : l’élution du calcium, la carbonatation et le vieillissement. » Lors de l’étape d’élution du calcium, une solution contenant de l’eau de mer et du saccharose est mélangée à de l’oxyde de calcium. Les ions magnésium présents dans l’eau de mer facilitent la dissolution du calcium dans la solution, entraînant la libération d’ions Ca2+ libres. Le saccharose forme un complexe avec les ions Ca2+.
Les ions Ca2+ élués réagissent ensuite avec le dioxyde de carbone injecté au cours de l’étape de carbonatation, entraînant la formation de carbonate de calcium (CaCO3) sous forme de précipité solide. La croissance des particules de CaCO3 est ensuite supprimée par les vibrations ultrasonores générées par un sonificateur. Par la suite, le mélange subit un vieillissement, au cours duquel la taille des particules de CaCO3 est encore réduite, entraînant la formation de vatérite de taille nanométrique.
Chaque étape de la méthode proposée contribue à la production de vatérite et à la réduction de la taille des particules, avec des conditions optimales aboutissant à des particules nanométriques contenant 100 % de vatérite. La taille et la teneur en vatérite sont très sensibles à la concentration de saccharose utilisée lors de l’étape d’élution du calcium. Les chercheurs rapportent en outre que la concentration idéale s’est avérée être de 2,3 mM, ce qui produit une grande quantité d’ions Ca2+ libres, sans augmenter la viscosité de la solution.
Dans l’étape de carbonatation, le contrôle du pH final, de l’intensité des ultrasons et de la vitesse d’agitation est essentiel. Les chercheurs ont déterminé que l’arrêt de la réaction de carbonatation à des niveaux de pH de 8 ou 9 entraînait une teneur en vatérite de 100 %, tandis que la sonication à une intensité de 30 % et l’agitation à 400-600 tr/min produisaient des particules de taille nanométrique. De plus, une agitation à une vitesse de 200 tr/min pendant 10 minutes était optimale pour le vieillissement.
Le résultat de ces étapes est la production de vatérite pure avec une taille de particules de 683 nm, obtenue sans solvants organiques. « Ces résultats mettent en évidence la possibilité de produire en masse de la vatérite nanométrique en utilisant de l’eau de mer, qui est un solvant respectueux de l’environnement. La méthode proposée peut être très avantageuse d’un point de vue économique et environnemental pour la production en masse de vatérite nanométrique, sans nécessiter une quantité substantielle de solvant organique. « , conclut le professeur Kim.
Plus d’information:
Sehun Kim et al, Production de vatérite nanométrique par carbonatation indirecte sans solvant organique, Sonochimie ultrasonique (2023). DOI : 10.1016/j.ultsonch.2023.106495
Fourni par l’Université nationale maritime et océanique de Corée