کربنات کلسیم کاربرد گسترده ای به عنوان پر کننده (Filler) در صنایع تولید کاغذ ، رنگ ، خوراکی ها ، سرامیک ، مواد آرایشی و بهداشتی و دارو دارد. در این مقاله به بررسی روش های مختلف تولید کربنات کلسیم سنتزی که با نام کربنات کلسیم رسوبی یا PCC هم شناخته می شود می پردازم. کربنات کلسیم با فرمول شیمیایی CaCO3 یک کانی رسوبی در پوسته زمین است که شامل گچ ، سنگ مرمر ، سنگ آهک ، تراورتن و کلسیت می شود. دو منبع اصلی برای تولید کلسیم کربنات وجود دارد. اولین منبع با نام کربنات کلسیم معدنی GCC است از کانی های معدنی کلسیت ، آراگونیت و وتریت در اشکال مختلف و با خلوص و کیفیت های متفاوت به دست می آید. دومین منبع تولید این محصول ، کربنات کلسیم رسوبی PCC است که به روش صنعتی تولید می گردد و می تواند انواع ساختار های Rhombohedral و Orthorhombic و Hexagonal را برای آن ایجاد نمود.
هر کدام از انواع سه گانه کربنات کلسیم دارای ویژگی ها و موارد مصرف مختص به خود است. برای نمونه ، کلسیت دارای بالاترین پایداری ترمودینامیکی می باشد. در عوض آراگونیت انحلال پذیری بیشتری در آب دارد. این ترکیب معمولا در شرایط فشار و حرارت بسیار زیاد و با ساختار کریستال های سوزنی شکل اورتورومبیک تولید می گردد. سومین ترکیب یعنی وتریت ، کمترین پایداری ترمودینامیکی را در میان دیگر انواع داشته و به علت دارا بودن ساختار کریستالی شش ضلعی ، به ندرت در طبیعت یافت می شود.
آزمایشات انجام شده برای تولید کربنات کلسیم رسوبی
اولین بار کربنات کلسیم رسوبی در سال 1841 توسط یک کمپانی انگلیسی تولید شد. آنها برای این منظور ، باقیمانده کلرید کلسیم خود که از تولید کلرات پتاسیم بوجود آمده بود را با کربنات سدیم و گاز دی اکسید کربن واکنش دادند. بعد ها تحقیق بسیاری بر روی بهترین روش تولید این محصول انجام شد تا اینکه با هیدروکسید کلسیم یا آهک هیدراته که از فراوری آهک پخته شده تولید می گردید آشنا شدند و سپس گاز دی اکسید کربن را به درون آن تزریق کردند. اصولا سه روش کلی برای تولید کربنات کلسیم رسوبی در صنعت وجود دارد که معادلات آن به شرح زیر است:
روش اول : واکنش هیدروکسید کلسیم (آهک هیدراته) با کربنات سدیم (سودا اش) که منجر به تولید کربنات کلسیم و سود سوز آور می شود.
Ca(OH)2 + Na2CO3 ↔ CaCO3 + 2NaOH
روش دوم : واکنش کلرید کلسیم با کربنات سدیم باعث تولید کلرید سدیم (نمک طعام) و کربنات کلسیم می گردد.
CaCl2 + Na2CO3 ↔ 2NaCl + CaCO3
روش سوم : از طریق تزریق گاز دی اکسید کربن داخل محلول غلیظ آهک هیدراته
Ca(OH)2 + CO2 ↔ CaCO3 + H2O
مشخصات کربنات کلسیم رسوبی
PCC از نظر شیمیایی باید دارای خلوص بالای 99 درصد ، چگالی 2.7 گرم بر سانتی متر مکعب ، اندازه ذرات کوچک تر از دو میکرون و سطح مقطع حدود ده متر مربع بر گرم باشد. این مشخصات به منظور استفاده از کربنات کلسیم در صنایع تولید کاغذ ، جوهر و رنگ است. البته کیفیت محصول تولید شده بستگی شدیدی به نوع سنگ مصرفی دارد بطوری که هر چه کیفیت سنگ و میزان کلسیم آن بالاتر باشد ، کربنات کلسیم خالص تری نیز تولید خواهد شد.
تولید کربنات کلسیم رسوبی از سنگ مرمریت
یکی از روش های تولید کربنات کلسیم رسوبی ، فراوری پودر سنگ مرمر به روش کلسیناسیون – انحلال – ته نشینی CDP است. برای این منظور ، ضایعات پودر سنگ مرمریت در دمای 800 تا 1100 درجه سانتی گراد حرارت داده می شود تا گاز کربنیک موجود در آن آزاد گردد. سپس باقی مانده این ماده یعنی اکسید کلسیم را با آب ترکیب می کنند تا هیدروکسید کلسیم تولید شود. چنانچه سنگ مرمر به خوبی پخته شده باشد ، حداکثر تا پنج دقیقه به طور کامل شکفته شده و پی اچ آن تا 12.5 بالا می رود.
برای این که خلوص و کیفیت کربنات کلسیم رسوبی در بالاتری سطح باشد ، باید پس از شکفته شدن کامل ، محلول را فیلتر کرده و ذرات درشت تر از صد میکرون را از آن جدا کرد. در نهایت گاز دی اکسید کربن از داخل آن عبور داده می شود تا کلسیم کربنات در داخل محلول ته نشین گردد. این فرایند بسیار سریع انجام می گردد و چندان زمان بر نیست. در آخرین مرحله نیز مواد ته نشین شده را فیلتر کرده و خشک می کنند تا به صورت پودری سفید و یک دست ، آماده مصرف شود.