Thermal Characterization and Quantification of Polymorphism in Calcium Carbonate Crystals

Význam tématu

Analýza krystalických polymorfů uhličitanu vápenatého je klíčová pro vývoj betonů schopných absorbovat CO2 a tím přispět k dosažení uhlíkové neutrality. Různá struktura a termální stabilita fází calcitu, aragonitu a vateritu ovlivňuje jak mechanické vlastnosti materiálu, tak schopnost dlouhodobé fixace CO2.

Cíle a přehled studie

Studie si klade za cíl kombinovat termogravimetricko-diferenciální analýzu (TG/DTA) se spektroskopií FTIR pro kvalitativní a kvantitativní určení obsahu jednotlivých polymorfů v uhličitanu vápenatém a cementových kompozicích. Hodnocení termální stability a vytvoření kalibračních křivek umožní rychlou a přesnou kvantifikaci částicových fází.

Použitá metodika a instrumentace

• Simultánní TG/DTA: přístroj DTG-60, rozmezí 30–1000 °C, rychlost nárůstu teploty 10 °C/min, dusíkové prostředí, vzorek ~30 mg.
• FTIR ATR spektroskopie: IRTracer-100 s diamantovou ATR sondou MicromATR, rozlišení 4 cm-1, 40 akumulací, apodizační funkce Happ–Genzel, detektor DLATGS, dusíkové purge.

Hlavní výsledky a diskuse

• TG analýza prokázala pořadí termální stability calcit > vaterit > aragonit s teplotami pro 5% ztrátu hmotnosti 702,7 °C, 662,0 °C a 642,7 °C. Calcite se rozkládá jednofázově, zatímco vaterit i aragonit vykazují vícestupňové hmotové úbytky.
• DTA záznamy odhalily charakteristické endotermní/exotermní signály až do 600 °C a silný endotermní efekt při dekarbonaci nad 750 °C, umožňující rozlišení fází.
• FTIR ATR: druhá derivace spekter odhalila odlišné piky pro každý polymorf (1795, 1440, 746 a 513 cm-1). Kalibrační křivky vytvořené na standardních sublimatech vykázaly koeficienty korelace ≥ 0,99.
• Kvantitativní stanovení poměrů fází v simulovaných cementových vzorcích vykázalo odchylky menší než 2 procentní body při opakovaných měřeních.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda kombinuje rychlou termální charakterizaci s minimálním množstvím vzorku a jednoduchou FTIR analýzu bez nutnosti rozsáhlé přípravy. Umožňuje monitorovat poměr polymorfů v cementech a betonech, optimalizovat proces karbonizace a řídit kvalitu finálních materiálů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace in situ FTIR pro sledování karbonizačního procesu v reálném čase.
• Využití hyphenovaných technik TG–FTIR nebo TG–MS pro detailní analýzu uvolňovaných plynů.
• Rozšíření metodiky na další minerální fáze a polymorfní systémy v průmyslové a environmentální analytice.

Závěr

Kombinace DTG-60 a FTIR ATR poskytuje komplexní nástroj pro charakterizaci a kvantifikaci polymorfů uhličitanu vápenatého. Metoda prokazuje vysokou přesnost, robustnost a praktičnost pro výzkum i průmyslové aplikace při výrobě cementů a betonů s přidanou hodnotou fixace CO2.

Reference

1. Naohiko Saeki, Ryo Kurihara, Ippei Maruyama: Effect of RH on Carbonation of Hardened Cement Paste Particles Under General Atmospheric CO2 Concentration Studied by FTIR Spectroscopy. Cement Science and Concrete Technology, Vol. 76, pp. 36–44 (2022).
2. Sarah Steiner, Barbara Lothenbach, Tilo Proske, Andreas Borgschulte, Frank Winnefeld: Effect of Relative Humidity on the Carbonation Rate of Portlandite, Calcium Silicate Hydrates and Ettringite. Cement and Concrete Research 135 (2020) 106116.