کربنات کلسیم: ویژگی‌ها، انواع، روش‌های تولید و کاربردهای متنوع
کربنات کلسیم با فرمول شیمیایی CaCO₃ یک ترکیب غیرآلی است که در سنگ‌های مختلفی نظیر سنگ آهک و مرمر یافت می‌شود. این ماده به طور معمول به شکل کریستال‌های سفید رنگ، بدون بو و تقریباً غیرقابل حل در آب ظاهر می‌شود و به راحتی با اسیدها واکنش نشان داده و دی‌اکسید کربن آزاد می‌کند. کربنات کلسیم یکی از مواد پراستفاده در زمین است و در انواع سنگ‌هایی مانند دولومیت، چاک، کلس سنگی و همچنین در استخوان‌ها و پوسته برخی جانوران حضور دارد. علاوه بر این، کربنات کلسیم به عنوان یک ماده ساختمانی حیاتی و در صنایع مختلف کاربردهای فراوانی دارد.
مشخصات فنی کربنات کلسیم
| مشخصه | مقدار |
| فرمول شیمیایی | CaCO₃ |
| جرم مولکولی | 100.09 |
| شماره ثبت CAS | 471-34-1 |
| شماره ثبت EINECS | 207-439-9 |
| نقطه ذوب | 1339 ℃ |
| حل در آب | غیر قابل حل در آب |
| چگالی | 2.7 تا 2.9 g/cm³ |
| ظاهر | جامد سفید |
| توصیف ایمنی | S26؛S36/37/39؛S37/39 |
| نمادهای خطر | R36/37/38؛R41 |
| توصیف خطر | Xi |
| قابلیت جذب رطوبت | دارای قابلیت جذب رطوبت کم |
| قدرت پوشش | دارای قدرت پوشش خوب |
| ضریب شکست | 1.49 |
| گرمای ویژه | 0.836～0.8951 J/(g·℃) (0～100℃) |
| ضریب انبساط حرارتی خطی | 11.7×10⁻⁶/℃ (15～100℃) |
| نوع الکترولیت | الکترولیت قوی |
| فرمول مولکولی | CaCO₃ |
| ترکیبات اصلی | CaO 56.03%، CO2 43.07% |
| حلالیت | 0.0014 |
| ثابت دی‌الکتریک | 7.5-7.8 |
| ویژگی‌های ظاهری | کریستال یا پودر سفید |
خصوصیات فیزیکی کلسیم کربنات
Calcium carbonate به صورت پودر کریستالی سفید، بدون بو و طعم، در دو شکل آمورف و کریستالی وجود دارد. در شکل کریستالی، این ماده به دو سیستم بلوری متوازی‌الاضلاع و شش‌ضلعی تقسیم می‌شود و کریستال‌های آن به صورت ستونی یا لوزی شکل هستند. چگالی کربنات کلسیم بین ۲.۷ تا ۲.۹ گرم بر سانتی‌متر مکعب متغیر است. نقطه ذوب این ماده در حدود ۱۳۳۹ درجه سانتی‌گراد است، اما در بازه دمایی ۸۲۵ تا ۸۹۶.۶ درجه سانتی‌گراد تجزیه می‌شود و در فشار ۱۰.۷ مگاپاسکال نقطه ذوب آن به ۱۲۸۹ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. این ماده تقریباً در آب حل نمی‌شود، اما در آب‌هایی که حاوی نمک آمونیوم یا سه‌اکسید آهن هستند، قابل حل است و در الکل حل‌ناپذیر باقی می‌ماند.
ساختار مولکولی کربنات کلسیم
ساختار بلوری کربنات کلسیم ارتوگونال است و هر مولکول آن شامل یک اتم کربن و سه اتم اکسیژن می‌باشد که هر اکسیژن به یک یون کلسیم متصل است. پیوندهای یونی بین یون‌های کلسیم و کربنات و پیوندهای کووالانسی بین کربن و اکسیژن درون یون کربنات، ساختار پایداری را ایجاد می‌کنند. یون کربنات دارای هیبریداسیون sp² است و اتم کربن مرکزی به صورت مثلث مسطح قرار دارد. در ساختار بلوری، مولکول‌های کربنات کلسیم به لایه‌های موازی با محورهای a و c چیده شده و این لایه‌ها از طریق اکسیژن‌های مشترک به هم متصل شده‌اند که نتیجه آن ساختاری سه‌بعدی و مقاوم است.
خصوصیات شیمیایی
تجزیه حرارتی: در دمای بین ۸۲۵ تا ۸۹۶.۶ درجه سانتی‌گراد، کربنات کلسیم به اکسید کلسیم و دی‌اکسید کربن تجزیه می‌شود.
واکنش با اسیدهای رقیق: با اسیدهای مختلف مانند استیک اسید، هیدروکلریک اسید و نیتریک اسید واکنش داده و دی‌اکسید کربن آزاد می‌کند که واکنشی گرمازا است.
واکنش با دی‌اکسید کربن اضافی: در حضور آب حاوی کربنات، با دی‌اکسید کربن اضافی واکنش داده و کربنات بیکربنات کلسیم تشکیل می‌دهد.
تبدیل به دولومیت: با حرارت دادن کربنات کلسیم بدون آب به دمای ۱۰۰۰ کلوین، به دولومیت تبدیل می‌شود.
انواع کربنات کلسیم
کلسیم کربنات بر اساس روش‌های تولید و اندازه ذرات به چند دسته اصلی تقسیم می‌شود:
کربنات کلسیم طبیعی : از طریق خرد مکانیکی مستقیم سنگ‌های دولومیت، سنگ آهک و سایر منابع طبیعی تولید می‌شود.
کربنات کلسیم رسوبی : از طریق واکنش کربنه کردن سنگ آهک با دی‌اکسید کربن تولید می‌گردد.
کلسیم کربنات کلوئیدی : با اصلاح سطح کربنات کلسیم سنگین یا سبک به دست می‌آید تا خواص تقویتی و فعالیتی آن افزایش یابد.
کربنات کلسیم کریستالی : از واکنش هیدروکسید کلسیم با هیدروکلریک اسید تهیه شده و در تولید خمیر دندان، داروها و مصالح ساختمانی استفاده می‌شود.
نانو کلسیم کربنات : با اندازه ذرات بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر، برای بهبود ویژگی‌های مکانیکی و فرآیندی در پلاستیک‌ها و لاستیک‌ها کاربرد دارد.
روش تولید کربنات کلسیم
تولید کربنات کلسیم طبیعی
- از فسفات گچ: فسفات گچ با آب گرم شسته شده، پوره می‌شود و آمونیوم کربنات به آن افزوده می‌شود. پس از واکنش و فیلتراسیون، کربنات کلسیم سبک تولید می‌گردد.
- از زباله‌های الکترودسته: زباله‌های الکترودسته با آب مخلوط شده و سپس با آهک هیدراته واکنش داده می‌شوند تا کربنات کلسیم رسوب کند.روش کربنه‌سازی: سنگ آهک با حرارت بالا به آهک و دی‌اکسید کربن تبدیل شده و سپس آهک هیدراته با دی‌اکسید کربن واکنش داده و کربنات کلسیم سبک تولید می‌شود.
روش سووروی (Solvay)
- در فرآیند تولید سودا، دی‌اکسید کربن از گازهای جانبی استفاده شده و کربنات کلسیم تولید می‌گردد.
تولید سنگین و ابر فاین
- روش خردایش: شامل خردایش اولیه با آسیاب‌های سنگین و سپس آسیاب‌های دقیق برای تولید ذرات کوچک کربنات کلسیم است.
- روش رسوبی: استفاده از واکنش‌های شیمیایی کنترل‌شده برای تولید ذرات بسیار ریز و خالص کربنات کلسیم.
کاربردهای کلسیم کربنات
کاربردهای آزمایشگاهی
- استخراج رنگ از برگ‌های سبز: افزودن کربنات کلسیم در هنگام آسیاب، از تخریب رنگ‌ها جلوگیری می‌کند.
- تولید اکسید کلسیم و هیدروکسید کلسیم: با حرارت کربنات کلسیم تجزیه می‌شود و اکسید کلسیم به عنوان خشک‌کننده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- تولید دی‌اکسید کربن: واکنش کربنات کلسیم با هیدروکلریک اسید رقیق برای تولید دی‌اکسید کربن انجام می‌شود.
کاربردهای صنعتی
- تولید پلاستیک‌ها:
- استفاده به عنوان پرکننده در پلی‌وینیل کلراید (PVC)، پلی‌اتیلن (PE)، پلی‌پروپیلن (PP) و سایر رزین‌ها.
- بهبود ویژگی‌های مکانیکی و فرآیندی پلاستیک‌ها و کاهش هزینه تولید.
- صنعت غذایی:
- افزودنی در خوراک دام‌ها و مکمل‌های کلسیم.
- محبوبیت به عنوان مکمل کلسیم به دلیل حل‌پذیری در اسید معده.
- صنعت ساختمانی:
- ماده اولیه در تولید سیمان، آهک و سایر مصالح ساختمانی.
- استفاده در پوشش داخلی و خارجی دیوارها و تولید مصالح سنگی مانند مرمر.
- صنعت شیمیایی:
- تولید مواد شیمیایی مختلف و پرکننده در محصولات نظیر خمیر دندان، صابون و لاستیک.
- استفاده در تولید شیشه‌های نوری و مواد اپتیکی.
- مواد سرامیکی دقیق:
- تولید سرامیک‌های با پایداری حرارتی بالا، دی‌الکتریک و هدایت حرارتی پایین.
- کاربرد در تولید شمع‌های جرقه‌زن و مواد نیمه‌رسانا.
- پرکننده‌های معدنی و ساینده‌ها:
- جایگزینی مواد گران‌قیمت مانند سفید سرب و تالتونیت در تولید پرکننده‌ها و ساینده‌ها.
- افزایش مقاومت سایش و کارایی ساینده‌ها.
- مکمل‌های غذایی:
- استفاده در قرص‌های کلسیم به عنوان مکمل تغذیه‌ای.
- نیاز به مصرف همراه با غذا برای جذب بهتر.
اقدامات ایمنی
خطرات محیطی
کربنات کلسیم به طور کلی برای محیط زیست بی‌خطر است، اما باید طبق مقررات ملی و محلی دفع شود. بدون مجوز دولتی، نباید به آب‌ها ریخته شود.
خطرات بهداشتی
کارگران مشغول استخراج و فرآوری کربنات کلسیم ممکن است دچار التهاب دستگاه تنفسی فوقانی، برونشیت و امفیزم ریه شوند. آسیب‌های شغلی مانند سیروز ریه بیشتر به دلیل حضور ذرات سیلیکا در کربنات کلسیم رخ می‌دهد.
اقدامات عملیاتی و نگهداری
- انجام عملیات در فضای بسته با تهویه مناسب.
- استفاده از ماسک‌های حفاظتی و عینک ایمنی برای جلوگیری از استنشاق گرد و غبار و تماس با مواد اسیدی.
- ذخیره‌سازی جداگانه از اسیدها.
اطلاعات ایمنی
- کد حمل و نقل خطرناک: موجود نیست.
- علامت‌های ایمنی: S26 (نگهداری در مکان‌های خشک)، S37/S39 (از تماس با پوست و چشم پرهیز کنید)، S36/S37/S39 (دور نگه داشتن از منابع حرارتی و جلوگیری از اشتعال).
- هشدارهای خطرناک: R36 (خطر تسویه)، R41 (خطر هدررفت پودر در چشم)، R36/38 (خطر تسویه و سوزش شدید)، R37/38 (خطر سوزش و تحریک چشم).
نتیجه‌گیری
کربنات کلسیم به عنوان یک ماده حیاتی در صنایع مختلف از جمله ساختمانی، غذایی، شیمیایی و دارویی، دارای ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی است که باعث شده در بازارهای جهانی جایگاه ویژه‌ای داشته باشد. با توجه به منابع فراوان و روش‌های تولید متنوع، کربنات کلسیم همچنان نقش مهمی در توسعه صنعتی و علمی ایفا می‌کند. همچنین، رعایت نکات ایمنی و نگهداری صحیح این ماده برای استفاده بهینه و بدون خطر ضروری است.