A formação de carbonato de cálcio (CaCO3) na água tem ramificações para tudo, desde a produção de alimentos e energia até a saúde humana e a disponibilidade de água potável. Mas no contexto do ambiente de hoje, simplesmente estudar como o carbonato de cálcio se forma na água pura não ajuda.

Pesquisadores da Universidade de Washington na Escola de Engenharia McKelvey de St. Louis foram pioneiros em métodos de ponta para estudar a formação de carbonato de cálcio em água salina. Seus resultados, publicado recentemente no Journal of Physical Chemistry C , sugira isso, sem considerar fatores cinéticos, podemos estar superestimando a rapidez com que o carbonato de cálcio se forma em ambientes salinos.

"Agora mais do que nunca, é importante entender como os minerais se formam em condições altamente salinas, "disse Young-Shin Jun, professor do Departamento de Energia, Engenharia Ambiental e Química. À medida que as áreas urbanas se espalham, cada vez mais água doce é perdida para os oceanos por causa do escoamento. Um aumento na produção de água salgada também está sendo visto em processos industriais e de coleta de energia, como dessalinização e fraturamento hidráulico.

O grupo de Jun começou com uma questão filosófica:em que ponto da união dos íons de cálcio e carbonato o carbonato de cálcio realmente "se forma"?

"As pessoas costumam dizer casualmente 'formação' quando se referem ao 'crescimento' de sólidos, mas a formação na verdade começa mais cedo, na fase de nucleação, "Disse Jun." A nucleação começa no momento em que todas as partes precursoras se encaixam, alcançando uma massa crítica que cria um núcleo que é grande e estável o suficiente para continuar a crescer como sólidos de carbonato de cálcio. "

Nucleação é, sem surpresa, difícil de observar porque acontece em nanoescala. Portanto, este processo geralmente é simplesmente assumido como tendo ocorrido. Em vez de prestar atenção à nucleação como um fenômeno separado, os pesquisadores tradicionalmente se esforçam mais para compreender o crescimento.

Trabalhando no norte de Illinois na Advanced Photon Source no Argonne National Laboratory com um método de espalhamento de raios-X baseado em síncrotron altamente poderoso conhecido como espalhamento de raios-X de baixo ângulo de incidência rasante (GISAXS), O laboratório de Jun criou células de reação ambiental exclusivas e observou eventos de nucleação em tempo real em ambientes aquosos. Eles podem ver o momento de nucleação, o que lhes permite comparar de perto as taxas de nucleação em águas de diferentes salinidades.

A concentração de sal na água varia amplamente; a água do mar tem cerca de 35 gramas de sal por litro, enquanto a água usada no fraturamento hidráulico (ou fracking) contém concentrações ainda mais altas de sais. Contudo, sem considerar a salinidade, a maioria dos estudos explorou como o mineral interage com o substrato no qual ele cresce, por exemplo, o que é um cano de água ou uma membrana feita de, e como esse material afeta a formação de escamas de cálcio?

Mas essas não são as únicas interações importantes.

"Precisamos adicionar salinidade a esta matriz, "Disse Jun." Como a química da água salina afeta a nucleação? Isso não acontece no vácuo. "

Uma relação importante na determinação da probabilidade de nucleação é o equilíbrio entre a termodinâmica e a cinética do sistema particular. Termodinamicamente, uma quantidade específica de energia é necessária para conduzir a nucleação; se essa energia (conhecida como energia interfacial) for suficientemente baixa, então a nucleação pode ocorrer espontaneamente.

A cinética se refere aos movimentos dos blocos de construção de tamanho sub e nanométrico (precursores) que podem ou não atingir essa massa crítica (chamada de tamanho crítico do núcleo) e continuar a crescer como carbonato de cálcio. Tal como acontece com a própria nucleação, observar a cinética dessas partículas é difícil. Historicamente, o fator cinético foi considerado menos importante do que o parâmetro termodinâmico, e foi considerado uma constante. Mas isso é verdade mesmo para água altamente salina?

"As pessoas pensaram que a cinética não é importante porque deveria ser a mesma, não importa o que, "Jun disse. Mas usando GISAXS, Jun e seu ex-aluno de doutorado Qingyun Li, agora na Stanford University, foram capazes de descrever quantitativamente a relação entre o fator cinético (J0) e o parâmetro termodinâmico (energia interfacial, α) de nucleação de carbonato de cálcio, usando quartzo como substrato. Criticamente, eles foram capazes de testá-lo em água com salinidades variadas.

Acontece que em água com alta salinidade, a energia interfacial é menor do que na água pura, o que significa que a nucleação pode acontecer mais facilmente. Contudo, o fator cinético - relacionado à rapidez com que os blocos de construção estão sendo entregues - é lento.

"Se levarmos em conta apenas a termodinâmica quando prevemos o sistema, estamos superestimando a taxa de nucleação. O impacto dos fatores cinéticos deve ser incluído, "Jun disse.

Esse impacto é importante por uma série de razões, além de simplesmente ter um melhor entendimento básico da formação mineral.

“O desenvolvimento socioeconômico sem precedentes acelerou nossas necessidades de água doce, "Jun disse." Além disso, um grande volume de água super-salina é gerado a partir de locais de recuperação de água e energia, como usinas de dessalinização e recuperação convencional / não convencional de óleo e gás usando fraturamento hidráulico.

"Assim, para projetar sistemas de produção de água e energia sustentáveis, precisamos urgentemente de um bom entendimento de como a água altamente salina pode afetar a nucleação do carbonato de cálcio, o que pode reduzir a eficiência de seus processos, "Jun disse.

"É uma descoberta empolgante. Ao mudar a cinética e a termodinâmica, podemos projetar uma superfície para evitar a nucleação. Ao saber quando e onde a nucleação acontece, podemos prevenir ou reduzi-lo, estendendo a vida útil de tubulações ou membranas de purificação de água.

"Por outro lado, também podemos aumentar a nucleação onde precisamos, como no armazenamento geológico de CO2, "ela disse." Este entendimento básico nos dá poder e controle. "