کربنات کلسیم رسوبی از معرفی تا کاربردها

PCC  مخفف کلسیم کربنات رسوبی است – همچنین به عنوان کربنات کلسیم تصفیه شده یا مصنوعی شناخته می شود. فرمول شیمیایی آن با سایر انواع کربنات کلسیم مانند سنگ آهک، سنگ مرمر و گچ مشابه (CaCO3) است. اتم های کلسیم، کربن و اکسیژن می توانند به سه روش مختلف خود را تنظیم کرده و سه ماده معدنی مختلف کربنات کلسیم را تشکیل دهند. متداول ترین آرایش برای کربناتهای کلسیم رسوبی و زمینی فرم شش ضلعی است که به کلسیت معروف است. تعدادی از اشکال مختلف کریستال کلسیت امکان پذیر است: مقیاس نوردی، رومبوهدرال و منشوری. آراگونیت شکل کمتر معمول آن است، که دارای یک ساختار بلوری ارتورومبیک سوزن گسسته یا خوشه ای است. شکل کربنات کلسیم واتریت  بسیار نادر و به طور کلی ناپایدار است. اشکال مختلف کربنات کلسیم، از جملهPCC ، غیر سمی در نظر گرفته می شوند. در ایالات متحده ، سازمان غذا و دارو تایید کرده است که کربنات کلسیم GRAS است (به طور کلی به عنوان ایمن شناخته می شود). تا زمانی که PCC خلوص خاصی را داشته باشد، می تواند به عنوان یک افزودنی مستقیم غذایی، یا دارویی یا به عنوان یک افزودنی غیرمستقیم در محصولات کاغذی که در تماس با غذا هستند استفاده شود. استانداردها و تأییدهایی مشابه ای در سراسر جهان وجود دارد که PCC به طور گسترده ای در این کاربردها استفاده می شود.

از چه زمانی تولید کربنات کلسیم رسوبی(PCC)آغاز شد؟

پودرکربنات کلسیم PCC برای مدت طولانی از سال ۱۸۴۱ به صورت تجاری ساخته می شود. اولین تولید کننده آن شرکت انگلیسی، John E. Sturge Ltd  بود که کلرید کلسیم باقیمانده حاصل از تولید کلرات پتاسیم خود را با خاکستر سودا و دی اکسید کربن تصفیه کرد و آنچه را آن زمان گچ رسوبی می نامید تولید کرد. در سال ۱۸۹۸، کارخانه جدیدی در بیرمنگام با استفاده از فرآیند شیر آهک ساخته شد که این نوع فرآیند و عملیات PCC اکنون بخشی از گروه عملکردهای معدنی  SMI  است.

تولید PCC در ایالات متحده از سال ۱۹۳۸، زمانی که C.K. شرکت ویلیامز در آدامز، ماساچوست شروع به ساخت PCC با استفاده از سنگ آهک از معدن مجاور خود کرد شروع شد. این معدن در سال ۱۹۶۲ توسط Pfizer خریداری شد و در سال ۱۹۹۲ با تاسیس گروه، Minerals Technologies Inc ، بخشی از گروه Performance Minerals از SMI شد.

کربنات کلسیم رسوبی (PCC) چگونه ساخته می شود؟

تقریباً تمام PCC توسط کربناسیون مستقیم آهک هیدراته ساخته می شود که به فرآیند شیر آهک معروف است. فرآیند شیر آهک از نظر مفهومی بسیار ساده است:

• استخراج سنگ کربنات کلسیم با خلوص بالا
• سنگ ها را به اندازه ذرات مورد نیاز برای پردازش خرد کنید (سنگ های کوچک یا پودر)
• برخی از ناخالصی ها را از سنگ خرد شده جدا می کنند.
• سنگ کربنات کلسیم در کوره تا ۱۸۵۰ درجه فارنهایت گرما داده می شود، آهک (CaO) و گاز دی اکسید کربن (CO2)  را از هم جدا می کند.
• دی اکسید کربن را می توان برای استفاده مجدد از آن گرفت
• آهک را به آب اضافه می کنند تا هیدروکسید کلسیم (آهک هیدراته یا اسلاک) تشکیل شود.

    CaO + H2O → Ca (OH) 2

• ناخالصی های اضافی را از آهک خرد شده جدا کرده
• دی اکسید کربن گرفته شده را با آهک خرد شده ترکیب می کنند. کربنات کلسیم از آنجا که در آب محلول نیست، رسوب می کند.

    Ca (OH) 2 + CO2 → CaCO3 ↓ + H2O

• در آخر ناخالصی های اضافی و شن و ماسه را از دوغاب PCC جدا می کنند.

اگر PCC در یک کارخانه کاغذ سازی استفاده شود یا به کارخانه رنگ لاتکس حمل شود، ممکن است از دوغاب جامدات پایین همانطور که هست استفاده شود یا برای بالا بردن سطح جامد فرآوری شود، سپس قبل از انتقال یا حمل و نقل آزمایش شود.اگر قرار است از PCC به عنوان محصول خشک استفاده شود، دوغاب آبگیری، خشک، آسیاب، بسته بندی و آزمایش می شود.در حالی که این فرآیند در مقیاس آزمایشگاهی ساده است، ساختن کربناتهای کلسیم رسوبی در مقیاس بزرگ به مقدار زیادی کنترل فرآیند و فن آوری برای اطمینان از اندازه مناسب، یکنواختی، شکل، سطح و شیمی سطح نیاز دارد.

کربنات کلسیم رسوبی (PCC) از چه چیزی ساخته شده است؟

کربنات کلسیم رسوبی PCC معمولاً از سنگ کربنات کلسیم با خلوص بالا به نام سنگ آهک ساخته می شود. شرکت های تخصصی مواد معدنی  از منابع سنگ آهک با کیفیت بالا برای محصولات PCC خود استفاده می کنند.این رسوب سنگ آهک در نتیجه لایه بسیار ضخیمی از پوسته و اسکلت حیوانات دریایی ماقبل تاریخ در کف اقیانوس قرار دارد. این پوسته ها و اسکلت ها تا حد زیادی از کربنات کلسیم تشکیل شده اند. در طی پانصد میلیون سال این رسوب تحت دما و فشار زیاد قرار داشته و رسوب آن به سنگ آهک درشت متبلور تغییر می یابد. تمام مواد آلی موجود در رسوبات توسط اکسیداسیون و فرایندی به نام دیاژنز، از بین می رود.

اگر این نوع فرآیند زمین شناسی به مدت طولانی ادامه یابد، بلورها بسیار کوچک می شوند و سنگ مرمر، یک شکل بسیار سخت کربنات کلسیم را تشکیل می دهد. اگر زمان، دما و یا فشار زیاد نباشد، بستر دریا فقط تا حدی باعث تغییرات روی آن می شود و نتیجه آن ایجاد گچ بسیار نرم است، مانند تشکیل صخره های سفید دوور در انگلیس. در گچها، بقایای پوسته و اسکلت حیوانات اغلب هنوز دیده می شود.

چرا این همه پردازش یا فرآوری انجام می شود؟

دو دلیل:

 اول، در فرآیند PCC چندین نقطه وجود دارد که می توان کربنات کلسیم را تصفیه کرد، و مقدار زیادی سنگ از رسوب را که کربنات کلسیم نیست از بین برد و در هر رسوب سنگ آهک همیشه برخی ناخالصی ها وجود دارد. این مواد شامل فلدسپات و سایر مواد معدنی سیلیکاتی و همچنین فلزات سنگین است.

دوم، فرآیند PCC اجازه می دهد تا بلورهایی با اشکال مختلف رشد کنند. ذره تشکیل شده با کنترل زمان واکنش، دما، هم زدن، فشار، میزان افزودن دی اکسید کربن و پردازش پس از تبلور تشکیل می شود. این اشکال مثل سوزنی خوشه ای، مکعب ها، منشورها و رومبوهدرون ها دارای خصوصیات فیزیکی مختلفی از جمله تراکم پودر، سطح و جذب روغن هستند که در بسیاری از کاربردها که کربنات کلسیم آسیابی عملکرد خوبی ندارد، عملکرد برجسته ای به آنها می دهد.

روند بارش همچنین امکان رشد ذرات بسیار ریز، تا نانومتر یا صدم میکرون را فراهم می کند که بسیار ریزتر از آنی است که فقط با آسیاب سنگ آهک بدست آید. این نانو PCC های بسیار ریز در مواردی که به عملکرد بالا و ذرات بسیار ریز نیاز است، کاربردهای ویژه ای دارند.

کاربردهای کربنات کلسیم رسوبی در چه مواردی است؟

اشکال مختلف این امکان را برای کربنات کلسیم رسوبی PCC فراهم می کند که به عنوان یک افزودنی عملکردی در مواد درزگیر، چسب، پلاستیک، لاستیک، جوهر، کاغذ، داروها، مکمل های غذایی و بسیاری دیگر از کاربردهای صنعتی و تولیدی عمل کند. یک فرمول ساز می تواند یک شکل و خصوصیات فیزیکی حاصل از آن شکل را انتخاب کند که در استفاده نهایی بهترین عملکرد را داشته باشد. در فرآیندPCC ، محصولات را می توان با اندازه های بسیار کوچک، با سطح زیاد، جذب زیاد روغن و یا با تراکم های مختلف پودر از تراکم پودر بسیار کم تا فوق العاده بالا تولید کرد.

چرا برخی PCC ها روکش شده اند؟

PCC  ها اغلب برای استفاده در سیستم های غیرآبی با درصد کم (۳-۱٪) اسید چرب مانند اسید استئاریک یا سایر مواد آلی پوشانده می شوند. این پوشش ها باعث افزایش پراکندگی PCC در پلیمر یا حلال و همچنین سازگاری آن با پلیمر یا حلال می شوند که در نتیجه عملکرد و کارایی PCC را به حداکثر می رساند. به این نوع خاص از کربنات کلسیم، کربنات کلسیم پوششی یا کربنات کلسیم کوتد گفته می شود.انتخاب پوشش به نوع پلیمری که PCC در آن استفاده می شود و عملکرد مورد نظر بستگی دارد. از آنجا که پلیمرها از نظر قطبی و ثابت بودن میزان حلالیت بسیار متفاوت هستند، مواد آلی مختلفی برای بهترین سازگاری و یا بهترین تعادل خواص انتخاب می شوند.

تفاوت کربنات کلسیم رسوبی و کربنات کلسیم زمین(GCC)در چیست؟

در ترکیب شیمیایی، آنها یکسان هستند. PCC از از نظر سنگ آهک ساخته شده، خالص تر است و  سیلیس و سرب کمتری دارد.شکل و اندازه PCC با کربنات کلسیم زمین (GCC) متفاوت است. تحت بزرگنمایی زیاد،GCC  به طور نامنظم به شکل رومبوهدری دیده می شود. شکل کریستال PCC به محصول بستگی دارد و ذرات آن یکنواخت و منظم هستند.

توزیع اندازه ذرات در GCC بسیار گسترده تر از PCC در همان اندازه است – یعنی ذرات بزرگ و ذرات بسیار بیشتری نسبت به PCC  دارد و اندازه بزرگترین ذرات (“top size”) برای GCC بسیار بیشتر از PCC است. اندازه دانه های پایین PCC مقاومت بهتری در پلاستیک نسبت به GCC دارد. توزیع باریک تر اندازه ذرات امکان جذب زیاد روغن را فراهم می کند، که در کاربردهای خاص بسیار مفید است.این تفاوت را می توان در عکسهای گرفته شده PCC و GCC با اندازه ذرات متوسط، و تفاوت ۰٫۷ میکرون مشاهده کرد.

استفاده از کربنات کلسیم رسوبی یا کربنات کلسیم زمینی یا طبیعی یا به عنوان عام تر کربنات کلسیمی که به صورت کلوخه کربنات کلسیم از معدن استخراج شده و سپس در کارخانه فرآوری شده و به صورت پودر کربنات کلسیم یا پودر کربنات کلسیم کوتد در می آید در حال گسترش و توسعه است. کارخانجات و صنایع تولیدی و صنعتی بسیاری به صورت ویژه از یک نوع کربنات کلسیم استفاده می کنند و با توجه به نوع عملکردی که انتظار دارند از کربنات کلسیم رسوبی یا کربنات کلسیم طبیعی در تولید محصولات خود استفاده می کنند. بیشترین استفاده از کربنات کلسیم در صنعت و تولید به عنوان پرکننده در انواع تولیدات کارخانجات است.