Les recherches de la McKelvey School of Engineering suggèrent que sans tenir compte de certains facteurs, les chercheurs peuvent surestimer la vitesse à laquelle le carbonate de calcium se forme dans les environnements salins. Crédit :Graphique :McKelvey School of Engineering
La formation de carbonate de calcium (CaCO3) dans l'eau a des ramifications pour tout, de la production alimentaire et énergétique à la santé humaine et à la disponibilité de l'eau potable. Mais dans le contexte de l'environnement actuel, étudier simplement comment le carbonate de calcium se forme dans l'eau pure n'est pas utile.
Des chercheurs de l'Université de Washington à la McKelvey School of Engineering de St. Louis ont mis au point des méthodes de pointe pour étudier la formation de carbonate de calcium dans l'eau salée. leurs résultats, récemment publié dans le Journal de chimie physique C , suggère que, sans tenir compte des facteurs cinétiques, nous avons peut-être surestimé la vitesse à laquelle le carbonate de calcium se forme dans les environnements salins.
"Maintenant plus que jamais, il est important de comprendre comment les minéraux se forment dans des conditions très salines, " dit Young-Shin Jun, professeur au Département d'énergie, Génie environnemental et chimique. Au fur et à mesure que les zones urbaines s'étendent, de plus en plus d'eau douce est perdue dans les océans par ruissellement. Une production accrue d'eau saumâtre est également observée dans les processus industriels et de récupération d'énergie, comme le dessalement et la fracturation hydraulique.
Le groupe de Jun a commencé par une question philosophique :à quel moment de la réunion des ions calcium et carbonate le carbonate de calcium « se forme-t-il réellement » ?
« Les gens disent souvent « formation » avec désinvolture lorsqu'ils font référence à la « croissance » des solides, mais la formation commence en fait plus tôt, au stade de la nucléation, " Jun dit. " La nucléation commence au moment où toutes les pièces précurseurs sont tombées en place, atteignant une masse critique qui crée un noyau suffisamment gros et suffisamment stable pour continuer à croître sous forme de solides de carbonate de calcium. »
La nucléation est, sans surprise, difficile à observer car cela se produit à l'échelle nanométrique. D'où, ce processus est souvent simplement supposé avoir eu lieu. Plutôt que de prêter attention à la nucléation en tant que phénomène distinct, les chercheurs ont traditionnellement consacré plus d'efforts à la compréhension de la croissance.
Travaillant dans le nord de l'Illinois à la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne avec une méthode de diffusion des rayons X basée sur un synchrotron très puissante connue sous le nom de diffusion des rayons X aux petits angles à incidence rasante (GISAXS), Le laboratoire de Jun a créé des cellules de réaction environnementales uniques et observé des événements de nucléation en temps réel dans des environnements aqueux. Ils peuvent voir le moment de la nucléation, ce qui leur permet de comparer étroitement les taux de nucléation dans des eaux de salinités différentes.
Jeune-Shin Jun, professeur au Département d'énergie, Génie environnemental et chimique à la McKelvey School of Engineering Crédit :Washington University à St. Louis
La concentration de sel dans l'eau varie considérablement; l'eau de mer contient environ 35 grammes de sel par litre, tandis que l'eau utilisée dans la fracturation hydraulique (ou fracking) contient des concentrations encore plus élevées de sels. Cependant, sans tenir compte de la salinité, la plupart des études ont exploré comment le minéral interagit avec le substrat sur lequel il pousse, par exemple, de quoi est faite une conduite d'eau ou une membrane, et comment ce matériau affecte-t-il la formation d'écailles de calcium?
Mais ce ne sont pas les seules interactions importantes.
"Nous devons ajouter de la salinité dans cette matrice, " Jun dit. " Comment la chimie de l'eau saline affecte-t-elle la nucléation ? Cela ne se fait pas dans le vide."
Une relation importante pour déterminer la probabilité de nucléation est l'équilibre entre la thermodynamique et la cinétique du système particulier. Thermodynamiquement, une quantité spécifique d'énergie est nécessaire pour entraîner la nucléation ; si cette énergie (appelée énergie interfaciale) est suffisamment faible, alors la nucléation peut se produire spontanément.
La cinétique fait référence aux mouvements des blocs de construction de taille inférieure et nanométrique (précurseurs) qui peuvent ou non atteindre cette masse critique (appelée taille critique du noyau) et continuer à croître sous forme de carbonate de calcium. Comme pour la nucléation elle-même, l'observation de la cinétique de ces particules est difficile. Historiquement, le facteur cinétique était considéré comme moins important que le paramètre thermodynamique, et a été supposée constante. Mais est-ce vrai même pour les eaux très salées ?
"Les gens ont pensé que la cinétique n'est pas importante parce qu'elle devrait être la même, peu importe ce que, " dit Jun. Mais en utilisant GISAXS, Jun et son ancienne doctorante Qingyun Li, maintenant à l'Université de Stanford, ont pu décrire quantitativement la relation entre le facteur cinétique (J0) et le paramètre thermodynamique (énergie interfaciale, α) de nucléation du carbonate de calcium, en utilisant du quartz comme substrat. De manière critique, ils ont pu le tester dans de l'eau avec des salinités variables.
Il s'avère que dans l'eau à haute salinité, l'énergie interfaciale est plus faible que dans l'eau pure, ce qui signifie que la nucléation peut se produire plus facilement. Cependant, le facteur cinétique, lié à la rapidité avec laquelle les blocs de construction sont livrés, est lent.
"Si nous ne tenons compte que de la thermodynamique lorsque nous prédisons le système, nous surestimons le taux de nucléation. L'impact des facteurs cinétiques doit être inclus, " dit Jun.
Cet impact est important pour une multitude de raisons au-delà du simple fait d'avoir une meilleure compréhension de base de la formation minérale.
« Un développement socio-économique sans précédent a accéléré nos besoins en eau douce, " dit Jun. " Aussi, un volume important d'eau sursalée est généré à partir de sites de récupération d'eau et d'énergie, telles que les usines de dessalement et la récupération conventionnelle/non conventionnelle de pétrole et de gaz à l'aide de la fracturation hydraulique.
"Ainsi, concevoir des systèmes de production d'eau et d'énergie durables, nous avons besoin de toute urgence d'une bonne compréhension de la façon dont l'eau hautement saline peut affecter la nucléation du carbonate de calcium, ce qui peut réduire l'efficacité de leurs processus, " dit Jun.
"C'est une découverte passionnante. En changeant la cinétique et la thermodynamique, nous pouvons concevoir une surface pour empêcher la nucléation. En sachant quand et où la nucléation se produit, nous pouvons l'empêcher ou la réduire, prolonger la durée de vie des canalisations ou des membranes de purification d'eau.
"Inversement, nous pouvons également augmenter la nucléation là où nous en avons besoin, comme dans le stockage géologique du CO2, " dit-elle. " Cette compréhension de base nous donne le pouvoir et le contrôle. "
