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27 Luglio 2021

Carbonato di calcio:analisi della distribuzione dimensionale e dell'area specifica

Il carbonato di calcio trova applicazione in svariati ambiti, tra cui l’industria alimentare, dove viene utilizzato come additivo in virtù delle sue proprietà sbiancanti e anti-acido (codice E170), oltre che come naturale fonte di calcio per l’organismo.

La produzione di calcio carbonato in polvere in ambito industriale avviene principalmente tramite due differenti processi: la macinazione di calcio carbonato naturale (Ground Calcium Carbonate, GCC) estratto da depositi di calcite, oppure la precipitazione (Precipitated Calcium Carbonate, PCC) tramite sintesi chimica (1). Soprattutto in ambito alimentare, il PCC viene preferito a causa della maggiore purezza e area superficiale, quest’ultima essenziale per migliorarne l’efficacia di assorbimento. Inoltre, poiché derivante da un processo di sintesi, è possibile controllarne in maniera più efficace le dimensioni (generalmente intorno al micron) e la forma cristallina, garantendo una maggiore omogeneità del prodotto (2). Il PCC viene prodotto secondo diversi metodi, tra cui il processo Solvay (in cui è considerato sottoprodotto intermedio) e reazione di carbonazione (3). In entrambi i metodi viene utilizzato calcare proveniente da depositi naturali come reagente iniziale. A seguito di sintesi, infine, il PCC può essere ricoperto con additivi (acidi grassi, resine, surfattanti) per migliorare la sua bagnabilità e facilità di dispersione (1).

Caratterizzare il prodotto ottenuto in termini di dimensione, morfologia ed area superficiale rappresenta uno step fondamentale sia per chi produce sia per l’utilizzatore finale.

In questo studio, abbiamo analizzato carbonati di calcio per uso alimentare di diversi produttori, valutando le dimensioni delle particelle e l’area superficiale specifica. L’analisi della distribuzione dimensionale delle particelle è stata effettuata utilizzando il granulometro a diffrazione laser Mastersizer 3000 della Malvern-Panalytical, mentre l’analisi di area superficiale specifica è stata effettuata tramite tecnica di fisisorbimento di azoto con lo strumento Tristar II della Micromeritics.

Di seguito viene riportata la sovrapposizione delle curve granulometriche ottenute dall’analisi dei diversi campioni utilizzando il sistema di dispersione a secco Aero S (figura 1) e la sovrapposizione delle isoterme di assorbimento (figura 2) che riportano la quantità di azoto adsorbita dai campioni nel range di pressioni relative 0.05 -0.3 P/P0.

Figura 1:Sovrapposizione delle curve granulometriche

Nella tabella 1 è riportato il diametro medio ponderato in volume D[4;3], parametro utile qualora si voglia descrivere le dimensioni delle particelle con un unico numero.

Tabella 1: diametro medio ponderato in volume

Figura 2: Sovrapposizione delle isoterme di assorbimento

In tabella sono riportati i dati di area superficiale specifica (SSA) calcolati con metodo BET Multipoint.

Tabella 2: dati di area superficiale specifica

I campioni presentano dimensioni differenti; i campioni con le particelle di dimensioni minori sono i campioni 4 e 6, mentre il campione con dimensioni maggiori è il campione 1. Le differenze granulometriche si riflettono anche nel dato di area superficiale, dove si osserva lo stesso andamento. E’ possibile, infatti, ricavare una proporzione inversa tra area superficiale specifica e dimensioni medie delle particelle, come mostrato dal grafico di regressione riportato di seguito(figura 3).

 

Figura 3: grafico di regressione

Conclusioni

In conclusione, entrambe le tecniche sono fondamentali per la caratterizzazione della polvere di carbonato di calcio; l’analisi granulometrica in diffrazione laser, tuttavia, è un approccio più rapido e diffuso. Dal dato granulometrico dipendono indirettamente altre proprietà come l’area superficiale specifica, come dimostrato in questo lavoro, che possono quindi essere dedotte senza effettuare ulteriori analisi. Altri fattori potrebbero influenzare questa relazione, come la differente cristallinità del prodotto, diverse morfologie e texture superficiali e la presenza di additivi.

Fonti

1) R. Kieffer and F. Benesovsky, Encyclopedia of Chemical Technology, in Calcium Carbonate, ed. B.M.t. Carbon, Interscience Publishers, New York, 1964, vol. 4, p. 410.
2) What is Ground Calcium Carbonate (GCC) or Limestone?, & What is PCC, Available from: http://www.specialtyminerals. com/our-minerals/what-is-gcc-limestone/.
3) H.-P. Mattila and R. Zevenhoven, Production of precipitated calcium carbonate from steel converter slag and other calcium-containing industrial wastes and residues, Advances in Inorganic Chemistry, ed. R. van Eldik and M. Aresta, 2013, pp. 347–384.


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