کربنات کلسیم چیست؟| روش تولید، کاربرد و ویژگی‌های آهک

کربنات کلسیم | خواص، ویژگی‌ها، روش تولید و کاربردهای آهک

کربنات کلسیم یک ترکیب شیمیایی با فرمول CaCO3 است. این ماده به طور معمول در برخی سنگ‌های پوسته زمین مانند کلسیت و آراگونیت به عنوان مواد معدنی یافت می‌شود (به ویژه سنگ آهک که نوعی سنگ رسوبی است و عمدتاً از کلسیت تشکیل شده است).

کلسیم کربنات یک جزء اصلی در مروارید دریا و پوسته‌های موجودات دریایی، حلزون‌ها و تخم جانوران تخم‌گذار است.

کلسیم کربنات ماده تشکیل دهنده آهک کشاورزی است و هنگامی تشکیل می‌شود که یون‌های کلسیم در آب سخت با یون‌های کربنات واکنش می‌دهند.

این ماده برای تهیه داروهای معده استفاده می‌شود. به عنوان یک ماده اولیه برای تولید مکمل کلسیم یا داروی ضد اسید به کار می‌رود، اما مصرف زیاد آن می‌تواند خطرناک باشد و باعث هضم نامناسب شود.

نگاهی به تاریخچه کربنات کلسیم

کربنات کلسیم از ۴۰۰۰۰ سال قبل از میلاد تا به امروز مورد استفاده قرار می‌گرفته است. تاریخچه کلسیم کربنات نشان می‌دهد که چگونه بشر توانسته است از ویژگی‌های منحصر به فرد این ماده معدنی در کاربردهای مختلف بهره ببرد.

از نقاشی روی دیواره‌های غارها دوران ماقبل تاریخ گرفته تا تولید صنعتی و مدرن امروزی در تولید محصولاتی نظیر کاغذ و پلاستیک، همگی نشانه‌هایی از روند تکامل کاربردهای کلسیم کربنات هستند.

“انگلوساکسون‌ها” از کربنات کلسیم یا گچ به معنای واقعی کلمه “پودر سفید” بسیار استفاده می‌کردند و این دقیقاً همان چیزی بود که در طول هزاران سال مورد استفاده قرار گرفت؛ هم به عنوان یک رنگدانه سفید در تولید رنگ‌ها، آغازگر واکنش‌ها و تولید گچ، این ترکیب به مصرف می‌رسیده است.

این اقوام، گچ که یکی از اشکال کلسیم کربنات است را از سواحل اطراف استخراج و فرآوری می‌کردند. آن‌ها دریافتند که سنگ معدنی نرم را می‌توانند به راحتی با ابزارهای ساده مانند اره و تبر استخراج کنند.

علاوه بر این معمولاً خرد کردن و تکه تکه کردن گچ برای تبدیل به پودر با کیفیت، ضرورت داشت.

تا به امروز، گچ، هنوز هم یکی از اشکال کربنات کلسیم موجود در پوسته زمین است که در قالب سنگ‌های مهم از جمله سنگ آهک و سنگ مرمر، در طیف وسیعی از محصولات در زندگی روزمره مردم استفاده می‌شود.

 کربنات کلسیم یکی از پرمصرف‌ترین مواد خام در جهان است و کاربردهای جدید آن دائماً در حال توسعه می‌باشد. با توجه به این توضیح، پیش بینی می‌شود استفاده از آن تا هزاره‌های بعدی نیز رشد خوبی داشته باشد.

روش‌های تولید کربنات کلسیم

اکثر کربنات کلسیم مورد استفاده در صنعت با روش استخراج صنعتی یا استخراج از معادن به دست می‌آید. کلسیم کربنات خالص (مانند مواد غذایی یا دارویی) می‌تواند از یک منبع خالص (معمولاً سنگ مرمر) استخراج و تولید شود.

همچنین، CaCO3 می‌تواند از اکسید کلسیم تهیه شود. برای این فرآیند، آب به اکسید کلسیم اضافه می‌شود تا هیدروکسید کلسیم تشکیل شود.

سپس دی اکسید کربن از این محلول عبور می‌کند تا CaCO3 مورد نظر رسوب کند. این ترکیب در صنعت به عنوان کربنات کلسیم رسوبی (PCC) شناخته می‌شود:

CaO + H2O → Ca(OH)2

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 ↓ + H2O

خواص و کاربردهای کلسیم کربنات

کربنات کلسیم معدنی دارای خصوصیات معمول مشابه با سایر کربنات‌ها است. حجم قابل توجه آن با اسیدها واکنش می‌دهد و دی اکسید کربن آزاد می‌کند:

CaCO3(s) + 2H + (aq) → Ca2 + (aq) + CO2 (g) + H2O (l)

وقتی محلول گرم شود، دی اکسید کربن آزاد می‌کند که به آن واکنش تجزیه حرارتی یا کلسیناسیون می‌گویند (= در مورد CaCO3 تا ۸۴۰ درجه سانتیگراد است).

تشکیل اکسید کلسیم که معمولاً آهک سوخته (burnt lime) نامیده می‌شود، با آنتالپی واکنش ۱۷۸ کیلوژول بر مول، طبق واکنش زیر اتفاق می‌افتد:

CaCO3 → CaO + CO2

کربنات کلسیم با آبی که با دی اکسید کربن اشباع شده، واکنش می‌دهد و بی کربنات کلسیم محلول را تشکیل می‌دهد:

CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O (l) → Ca (HCO3)2 (aq)

این واکنش در فرسایش سنگ کربنات و تشکیل غارها بسیار مهم است و منجر به تشکیل آب‌های سخت (حاوی مقادیر بسیار زیاد از یون‌های کلسیم) در بسیاری از مناطق می‌شود.

شکل غیرمعمول این ماده، هگزاهیدرات، ایکائیت با فرمول مولکولی CaCO3.6H2O است. ایکایت فقط در دمای ۸ درجه سانتیگراد پایدار است.

مشخصات فیزیکی و شیمیایی

نام ترکیب
IUPAC نام گذاری کلسیم کربنات/Calcium carbonate
نام‌های متداول دیگر: کلسیت آراگونیت- گچ- آهک- سنگ آهک ماربل- oyster- pearl
شاخص‌های شناسایی
۴۷۱-۳۴-۱	CAS Number
۲۰۷-۴۳۹-۹	EC Number
E170	E number
۱۰۱۱۲	PubChem CID
ویژگی‌ها و خواص
CaCO۳	فرمول شیمیایی
۱۰۰.۰۸۶۹ g/mol	جرم مولی
Fine white powder; chalky taste	شکل ظاهری
بدون بو	بو
۲.۷۱۱ g/cm۳ (کلسیت) ۲.۸۳ g/cm۳ (آراگونیت)	دانسیته
۱,۳۳۹ °C (2,442 °F; 1,612 K) (کلسیت) ۸۲۵ °C (1,517 °F; 1,098 K) (آراگونیت)	نقطه ذوب
ندارد (در دمای بالا تجزیه می‌شود)	نقطه جوش
۰.۰۱۳ g/L (25 °C)	حلالیت در آب
محلول است	حلالیت در اسیدهای رقیق
۹.۰	اسیدیته (pKa)
ویژگی ساختاری
تریگونال	ساختار کریستالی
ترموشیمی
۹۳ J·mol−۱·K−۱	آنتالپی استاندارد مولار (So۲۹۸)
−۱۲۰۷ kJ·mol−۱	آنتالپی استاندارد تشکیل (ΔfH⦵۲۹۸)
ترکیبات مرتبط
Calcium bicarbonate بی کربنات کلسیم	آنیون‌ها
Magnesium carbonate کربنات منیزیم Strontium carbonate کربنات استرانسیوم Barium carbonate کربنات باریم	کاتیون‌ها
Calcium sulfate سولفات کلسیم	سایر ترکیبات مشابه

 

کاربردها

کلسیم کربنات به طور طبیعی در سازه‌های سنگی و برخی از منابع معدنی یافت می‌شود. (چهار درصد از پوسته زمین از این ماده تشکیل شده است.)

این ماده اندکی در آب محلول است و به همین دلیل در سیستم‌های آب طبیعی، شسته می‌شود و در نتیجه موجب ایجاد سختی در منابع آبی خواهد شد.

سنگ آهک و گچ از کربنات کلسیم تشکیل شده‌اند؛ مانند آنچه در صخره‌های مرجانی می‌شناسیم. این ماده معدنی معمولاً از طریق استخراج از معادن یا استخراج و خالص سازی در صنعت تهیه می‌شود.

CaCO3 به صورت سنگ آهک، گچ و دولومیت وجود دارد و معمولاً شامل ناخالصی‌هایی مانند رس است.

کربنات کلسیم در بسیاری از صنایع به عنوان مواد اولیه، بسیار شناخته شده است. مهم‌ترین صنایعی که از این ترکیب در آن‌ها استفاده می‌شود به ترتیب زیر است:

• تهیه محصولات بهداشتی و مراقبت‌های فردی
• تولید روغن
• صنایع پلاستیک و لاستیک
• صنعت سیمان
• شیشه سازی
• صنایع فولاد
• کاغذسازی
• کاربرد در صنایع ساخت و ساز

کاربردهای کربنات کلسیم

۱-کشاورزی و باغبانی

کربنات کلسیم مهم‌ترین ماده تشکیل دهنده آهک باغبانی (که معمولاً به آن آهک کشاورزی گفته می‌شود) است که برای تنظیم کردن اسیدیته خاک مصرف می‌شود.

ترکیب CaCO3 همچنین کیفیت خاک را برای زندگی گیاهان بهبود می‌بخشد. کلسیم کربنات برای باغبانی و کشاورزی مزایای زیادی دارد که آنها را در قسمت زیر مشاهده می‌کنید:

• منبع سالم کلسیم برای تغذیه و رشد گیاه
• خواص تنظیم کننده PH
• افزایش توانایی خاک‌های اسیدی برای حبس آب
• کمک به جذب بهتر مواد مغذی مهم از جمله نیتروژن توسط گیاه

۲-ساخت و ساز و تولید سیمان

آیا می دانید زمینی که در خیابان‌ها و کوچه‌ها هر روز روی آن راه می‌روید، کربنات کلسیم است؟

کلسیم کربنات (CaCO3) یک ماده اصلی در صنعت ساخت و ساز است که عمدتاً در تولید سیمان استفاده می‌شود. این ماده به طور معمول برای این اهداف، در حالت آهکی به مصرف می‌رسد.

علاوه بر سازه‌های سیمانی، CaCO3 در پایه ریزی در پروژه‌های جاده سازی به شدت مورد توجه قرار دارد.

این ماده برای کمک به بهبود بافت خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد و اجازه می‌دهد تا برنامه‌های پل سازی، ساخت خانه و بناهای مستحکم، به خوبی به پایان برسند.

از کلوخه‌های بزرگ‌تر این ماده به طور معمول برای تولید و رفع نیاز مصرف سنگدانه‌ها استفاده می‌شود. آهک در واکنش با افزودنی‌های تهیه سیمان، به سیمان رسی تبدیل می‌شود و ترکیبات سخت‌تری ایجاد می‌کند.

علاوه بر این، استحکام و سختی مصالح تولید شده با CaCO3 به وسایل نقلیه بزرگ و سنگین ساختمانی اجازه می‌دهد تا به راحتی از محوطه‌های ساختمانی عبور کنند.

با معرفی این ماده به صنعت تولید سیمان، شکل اصلی که در این فرآیندها استفاده می‌شود سنگ آهک است. سیمان، در اصل، از سیلیکات‌های کلسیم و سولفات کلسیم تشکیل شده است.

۳-مقابله با باران اسیدی در اکوسیستم‌های آبی استفاده می‌شود

مطالعات نشان می‌دهد که کربنات کلسیم به کاهش اثرات مخرب باران اسیدی در همه اکوسیستم‌های آبی رودخانه‌ای کمک می‌کند.

در حال حاضر، ایالات متحده، آبراهه‌های اسیدی را با پاشیدن پودر این ماده، تصفیه می‌کند تا اسیدهای مضر را به این روش، خنثی کند.

کشورهای حوزه اسکاندیناوی و اسکاتلند نیز از این طریق از CaCO3 استفاده می‌کنند. از رسوبات سنگ آهک در تیمار مناطق بدون گیاه در اطراف دریاچه‌های آسیب دیده استفاده می‌شود.

سنگ آهک را به عنوان یک محافظ معمولاً در نظر بگیرید؛ چرا که می‌تواند میزان اسیدیته ای را که ممکن است به بسترهای خاک اطراف آن شسته شده باشد، خنثی کند.

۴- افزودن به خوراک دام و طیور

این یک اصل شناخته شده است که موجودات زنده برای داشتن استخوان و دندان، به کربنات کلسیم نیاز دارند. آیا می دانید دندان و استخوان بدن شما از مقدار معینی کربنات کلسیم ساخته شده است؟ به همین ترتیب، گیاهان و حیوانات نیز از این ماده معدنی برای ساخت اسکلت و پوسته‌های خود استفاده می‌کنند.

حیواناتی که در این باره بیشتر مورد توجه قرار دارند شامل حلزون‌ها، مرجان‌ها، مروارید، لاک‌پشت و سایر موجودات پوسته دار هستند. CaCO3 با مرگ گیاهان و حیوانات، مجدداً به خاک رسوب می‌کند.

گذشته از این‌ها، حیوانات تخم گذار به نوعی برای داشتن پوسته‌های سخت‌تر در تخم‌های خود نیاز دارند از این ترکیب آهکی، بسیار استفاده کنند.

بنابراین اگر نامی از کربنات کلسیم دامی شنیدید، به این مفهوم است که می‌تواند به خوراک طیور افزوده شود. این ترکیب به خوراک دام و طیور اضافه می شود تا بتواند این ماده مغذی را در اختیار آن‌ها قرار دهد.

برای مطالعه بیشتر: ترکیبات خوراک دام

بسته بندی

بسته بندی کربنات کلسیمبسته بندی کربنات کلسیم معمولاً به صورت کیسه‌های بافته شده از بهترین الیاف پلیمری در دسترس است. این کیسه‌ها با توجه به استانداردهای کارخانه تولید کننده به بازار عرضه می‌شوند.

بسته‌های ۲۵ کیلوگرمی، ۱۰۰۰ کیلوگرمی، جامبو بگ، پک شرینک و یا حمل به صورت فله‌ای برای پودر دانه بندی شده کلسیم کربنات موجود می‌باشد.

ایمنی

CaCO3، ترکیبی سفید رنگ و جامد است. تماس این ماده با پوست و چشم‌ها باعث سوزش و تحریک می‌شود. تنفس غبارات این ماده جامد به ویژه در حالت پودری می‌تواند دستگاه تنفسی را تحریک کند.

اثرات نامطلوب این ترکیب برای اندام‌های چشم، پوست و تنفس است بنابراین توصیه می‌شود که کارگران حتماً برای کار با این ماده در صنعت، از دستکش، عینک، ماسک و لباس کار مخصوص استفاده کنند.

مصرف زیاد مقادیر این ماده ممکن است باعث تحریک دستگاه گوارش شود. اگرچه خطر بلع، کمتر است اما اگر به صورت تصادفی خورده شود، حتماً باید سریعاً فرد را به پزشک رساند.

*پایداری شیمیایی: CaCO3 در دما و فشارهای معمول، پایدار است. باید از تماس CaCO3 با گرد و غبار هوا و رطوبت جلوگیری کرد.

*ناسازگاری با سایر مواد: این ترکیب با عوامل اکسید کننده قوی، اسیدها، آلومینیوم، منیزیم، فلوئور، ناسازگار است.

*محصولات خطرناک حاصل از تجزیه کلسیم کربنات: مونوکسید کربن، دی اکسید کربن، اکسید کلسیم.

*پلیمریزاسیون خطرناک: اتفاق نمی‌افتد.

شرایط نگهداری

بسته بندی‌های حاوی کربنات کلسیم را باید در انبارهای دارای تهویه مناسب ذخیره و نگهداری کنید. سعی کنید تولید و تجمع گرد و غبار ناشی از پودر یا کلوخه‌های CaCO3 را به حداقل برسانید.

کیسه‌های CaCO3 باید در جای خشک و خنک نگهداری شود. درب مخازن، ظروف یا کیسه‌ها باید حتماً محکم بسته باشد.

صنایع مرتبط برای کربنات کلسیم

۱-آراگونیت معدنی:

یکی از ترکیباتی که پیشتر هم در قسمت‌های بالا، نامی از آن ذکر کردیم و به نوعی به ترکیب کربنات کلسیم مرتبط است، آراگونیت است.

آراگونیت یک ماده معدنی کربناته است و یکی از سه شکل متداول بلوری کربنات کلسیم می‌باشد (= اشکال دیگر این ماده معدنی، “کلسیت” و “واتریت” است). آراگونیت توسط فرآیندهای بیولوژیکی و فیزیکی از جمله رسوب در محیط‌های دریایی و آب شیرین تشکیل می‌شود.

تفاوت کلسیت و آراگونیت در حقیقت در شبکه کریستالی آن‌ها است. یک سیستم بلوری اورتو رومبیک (orthorhombic)، یک ساختار شبه شش ضلعی برای این ترکیبات وجود دارد. آراگونیت ممکن است ساختاری ستونی داشته باشد. این ساختار معدنی می‌تواند در مکان‌های مختلف، بسیار متغیر باشد.

آراگونیت معدنی از نظر ترمودینامیکی در دما و فشار استاندارد، ناپایدار است. آراگونیت در طول ۱۰ میلیون تا ۱۰۰ میلیون سال به تدریج به کلسیت تغییر پیدا می‌کند.

با توجه به شرایط تشکیل این کانی معدنی می‌توان انواع مختلفی را برای آن معرفی کرد؛ آراگونیت طلایی، آراگونیت گل کلمی، آراگونیت سوزنی، آراگونیت جواهر، متداول‌ترین سنگ از این نمونه معدنی هستند.

کاربرد صنعتی سنگ معدن آراگونیت، برای حذف آلاینده‌هایی مانند روی، کبالت و سرب از فاضلاب‌های آلوده است. قیمت سنگ آراگونیت عموماً گران است. این سنگ در صنعت جواهر و سنگ‌های زینتی بسیار شناخته شده است.

۲-سنگ آهک:

سنگ آهکنام علمی سنگ آهک به صورت کربنات کلسیم معرفی می‌شود. این سنگ، یک سنگ رسوبی است و به صورت مستقیم از معادن استخراج می‌شود.

همه ما کم و بیش با سنگ آهک ساختمانی آشنایی داریم. آهک ساختمانی به دو صورت آهک زنده و آهک شکفته وجود دارد. از ترکیب آهک زنده با آب، آهک شکفته حاصل می‌شود که همان هیدروکسید کلسیم است.

سنگ آهک پیربکران در اصفهان، بهترین و معروف‌ترین معدن برای این ماده معدنی است. قیمت سنگ آهک با توجه به موقعیت جغرافیایی معدن، مراحل استخراج، حمل و نقل، قیمت‌های جهانی و …، تعیین می‌شود.

سنگ آهک، یک سنگ رسوبی است. اگر این سنگ‌ها تحت فشار و حرارت درونی زمین قرار گیرند، به سنگ‌های دگرگونی نظیر سنگ مرمر تبدیل می‌شوند.

بازار و خرید و فروش

فروش کربنات کلسیم در بسته بندی استاندارد و مطابق با نیاز مصرف کننده‌ها انجام می‌گیرد. برای این ماده معدنی، دانه بندی متفاوت تعریف شده است. بسته به درصد خلوص و آنالیز کلسیم کربنات در کارخانه تولیدکننده، اندازه ذرات هم متفاوت خواهد بود. هر یک برای کاربردهای متنوعی به مصرف می‌رسند.

به طور مثال از کربنات کلسیم با دانه بندی ۴۰۰ تا ۸۰۰ برای شوینده‌ها استفاده می‌شود. دانه بندی ۲۰۰ برای صنعت لاستیک و پلاستیک به کار می‌رود.

کربنات کلسیم آهوان، سنگ آهک معدنی، سنگ آهک دولومیتی و سنگ آراگونیت، نمونه‌های پرکاربرد با ساختار کلسیم کربنات هستند.

 انتشار آگهی خرید و فروش کربنات کلسیم

منابع:

https://en.wikipedia.org/wiki/Calcium_carbonate

https://www.ima-na.org/page/what_is_calcium_carb

https://info.noahtech.com/blog/۴-helpful-calcium-carbonate-uses-you-forgot-about

http://www.calcium-carbonate.org.uk/calcium-carbonate/caco۳-history.asp#:~:text=Calcium%۲۰carbonate%۲۰has%۲۰been%۲۰used,modern%۲۰paper%۲۰and%۲۰plastic%۲۰manufacturing.

https://fscimage.fishersci.com/msds/۰۳۸۸۰.htm

https://en.wikipedia.org/wiki/Aragonite#:~:text=Aragonite%۲۰is%۲۰a%۲۰carbonate%۲۰mineral,from%۲۰marine%۲۰and%۲۰freshwater%۲۰environments.