La formación de carbonato de calcio (CaCO3) en el agua tiene ramificaciones para todo, desde la producción de alimentos y energía hasta la salud humana y la disponibilidad de agua potable. Pero en el contexto del entorno actual, simplemente estudiar cómo se forma el carbonato de calcio en agua pura no es útil.

Investigadores de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis han sido pioneros en métodos de vanguardia para estudiar la formación de carbonato de calcio en agua salina. Sus resultados, publicado recientemente en el Revista de química física C , sugerir que, sin considerar factores cinéticos, es posible que hayamos estado sobrestimando la rapidez con la que se forma el carbonato de calcio en ambientes salinos.

"Ahora mas que nunca, es importante comprender cómo se forman los minerales en condiciones muy salinas, "dijo Young-Shin Jun, profesor del Departamento de Energía, Ingeniería Ambiental y Química. A medida que se extienden las áreas urbanas, cada vez se pierde más agua dulce en los océanos a través de la escorrentía. También se está observando una mayor producción de agua salada en los procesos industriales y de recolección de energía, como la desalinización y la fracturación hidráulica.

El grupo de Jun comenzó con una pregunta filosófica:¿En qué punto de la unión de los iones de calcio y carbonato se "forma" realmente el carbonato de calcio?

"La gente suele decir casualmente 'formación' cuando se refiere al 'crecimiento' de sólidos, pero la formación en realidad comienza antes, en la etapa de nucleación, "Dijo Jun." La nucleación comienza en el momento en que todas las partes precursoras han caído en su lugar, alcanzando una masa crítica que crea un núcleo que es lo suficientemente grande y estable como para continuar creciendo como sólidos de carbonato de calcio ".

La nucleación es, como era de esperar, difícil de observar porque ocurre a nanoescala. Por eso, A menudo se asume simplemente que este proceso ha tenido lugar. En lugar de prestar atención a la nucleación como un fenómeno separado, Los investigadores tradicionalmente se han esforzado más en comprender el crecimiento.

Trabajando en el norte de Illinois en Advanced Photon Source en el Laboratorio Nacional Argonne con un método de dispersión de rayos X basado en sincrotrón altamente poderoso conocido como dispersión de rayos X de ángulo pequeño de incidencia rasante (GISAXS), El laboratorio de Jun ha creado células de reacción ambiental únicas y ha observado eventos de nucleación en tiempo real en ambientes acuosos. Pueden ver el momento de la nucleación, lo que les permite comparar de cerca las tasas de nucleación en aguas de diferentes salinidades.

La concentración de sal en el agua varía mucho; el agua de mar tiene unos 35 gramos de sal por litro, mientras que el agua que se usa en la fracturación hidráulica (o fracking) contiene concentraciones aún más altas de sales. Sin embargo, sin considerar la salinidad, la mayoría de los estudios han explorado cómo interactúa el mineral con el sustrato en el que crece, por ejemplo, ¿De qué está hecha una tubería de agua o una membrana? y ¿cómo afecta ese material a la formación de escamas de calcio?

Pero esas no son las únicas interacciones importantes.

"Necesitamos agregar salinidad a esta matriz, "Dijo Jun." ¿Cómo afecta la química del agua salina a la nucleación? No sucede en el vacío ".

Una relación importante para determinar la probabilidad de nucleación es el equilibrio entre la termodinámica y la cinética del sistema en particular. Termodinámicamente, se requiere una cantidad específica de energía para impulsar la nucleación; si esa energía (conocida como energía interfacial) es suficientemente baja, entonces la nucleación puede ocurrir espontáneamente.

La cinética se refiere a los movimientos de los bloques de construcción de tamaño sub y nanométrico (precursores) que pueden o no alcanzar esa masa crítica (llamado tamaño de núcleo crítico) y crecer como carbonato de calcio. Al igual que con la nucleación en sí, es difícil observar la cinética de estas partículas. Históricamente, el factor cinético se consideró menos importante que el parámetro termodinámico, y se asumió que era una constante. Pero, ¿es esto cierto incluso para agua muy salina?

"La gente ha pensado que la cinética no es importante porque debería ser la misma, no importa qué, "Dijo Jun. Pero usando GISAXS, Jun y su ex estudiante de doctorado Qingyun Li, ahora en la Universidad de Stanford, pudieron describir cuantitativamente la relación entre el factor cinético (J0) y el parámetro termodinámico (energía interfacial, α) de nucleación de carbonato de calcio, utilizando cuarzo como sustrato. Críticamente, pudieron probarlo en agua con diferentes salinidades.

Resulta que en agua con alta salinidad, la energía interfacial es menor que en el agua pura, lo que significa que la nucleación puede ocurrir más fácilmente. Sin embargo, el factor cinético, relacionado con la rapidez con que se entregan los bloques de construcción, es lento.

"Si solo tenemos en cuenta la termodinámica cuando predecimos el sistema, estamos sobreestimando la tasa de nucleación. Debe incluirse el impacto de los factores cinéticos, "Dijo Jun.

Este impacto es importante por una serie de razones más allá de simplemente tener una mejor comprensión básica de la formación de minerales.

"El desarrollo socioeconómico sin precedentes ha acelerado nuestras necesidades de agua dulce, "Dijo Jun." Además, Se genera un gran volumen de agua supersalina a partir de sitios de recuperación de agua y energía. tales como plantas de desalinización y recuperación de petróleo y gas convencional / no convencional mediante fracturación hidráulica.

"Por lo tanto, diseñar sistemas sostenibles de producción de agua y energía, necesitamos con urgencia una buena comprensión de cómo el agua altamente salina puede afectar la nucleación del carbonato de calcio, que pueden reducir la eficiencia de sus procesos, "Dijo Jun.

"Es un hallazgo emocionante. Al cambiar la cinética y la termodinámica, podemos diseñar una superficie para evitar la nucleación. Al saber cuándo y dónde ocurre la nucleación, podemos prevenirlo o reducirlo, extender la vida útil de las tuberías o las membranas de purificación de agua.

"En cambio, también podemos aumentar la nucleación donde lo necesitemos, como en el almacenamiento geológico de CO2, ", dijo." Esta comprensión básica nos da poder y control ".