碳酸鈣(CaCO3)在水中的形成，對從食品和能源生產(chǎn)到人類健康和飲用水供應(yīng)的方方面面都有影響。但是在今天的環(huán)境下，僅僅研究碳酸鈣在純水中如何形成的是沒有幫助的。華盛頓大學(xué)圣路易斯麥凱維工程學(xué)院的研究人員，開創(chuàng)了研究鹽水中碳酸鈣形成的前沿方法。

其研究成果發(fā)表在《物理化學(xué)C》上。如果不考慮動力學(xué)因素，我們可能高估了碳酸鈣在鹽水環(huán)境中形成的速度。

能源、環(huán)境和化學(xué)工程系教授Young-Shin Jun說：現(xiàn)在比以往任何時候都更重要的是，了解礦物質(zhì)是如何在高鹽條件下形成。隨著城市面積的擴(kuò)大，越來越多的淡水通過徑流流失到海洋中。在工業(yè)和能源收集過程中，如海水淡化和水力壓裂，咸水產(chǎn)量也在增加。研究小組從一個哲學(xué)問題開始：在鈣離子和碳酸鹽離子結(jié)合的過程中，碳酸鈣實際上是在什么時候“形成”的？

當(dāng)人們提到固體的‘生長’時，通常會不經(jīng)意地說成‘形成’，但實際上形成開始得更早，在成核階段。成核開始于所有前體部分都到位的時刻，達(dá)到臨界質(zhì)量時，就會產(chǎn)生足夠大、足夠穩(wěn)定的細(xì)胞核，足以繼續(xù)以碳酸鈣固體的形式生長。毫無疑問，核形成很難觀察，因為它發(fā)生在納米尺度。因此，這一過程往往被簡單地假定已經(jīng)發(fā)生。傳統(tǒng)上，研究人員把更多的精力放在理解生長上，而不是把成核作為一個單獨(dú)的現(xiàn)象來關(guān)注。

Jun的實驗室在伊利諾斯州北部的阿貢國家實驗室先進(jìn)光子源工作，利用一種稱為掠入射小角度x射線散射(GISAXS)的強(qiáng)大同步x射線散射方法，創(chuàng)建了獨(dú)特的環(huán)境反應(yīng)細(xì)胞，并在水環(huán)境中實時觀察成核事件?？梢钥吹匠珊说臅r刻，這使得他們可以在不同鹽度的水中仔細(xì)比較成核速度。水中鹽濃度變化很大，海水每升含鹽量約為35克，而用于水力壓裂的水含鹽量甚至更高。然而，在沒有考慮鹽分的情況下，大多數(shù)研究探索了礦物質(zhì)如何與生長基質(zhì)相互作用。

例如，水管或膜是由什么構(gòu)成，以及這種物質(zhì)如何影響碳酸鈣的形成？但這些并不是唯一重要的作用。需要在這個基質(zhì)中加入鹽分，鹽水化學(xué)如何影響成核？它不會在真空中發(fā)生。決定成核可能性的一個重要關(guān)系是，特定系統(tǒng)的熱力學(xué)和動力學(xué)之間的平衡。熱力學(xué)上，驅(qū)動成核需要一定的能量，如果這個能量(稱為界面能)足夠低，那么就會自發(fā)形成核。動力學(xué)是指亞和納米尺寸構(gòu)建塊(前體)的運(yùn)動。

它們可能達(dá)到或沒有達(dá)到臨界質(zhì)量(稱為臨界核大小)，并繼續(xù)以碳酸鈣的形式增長。與成核本身一樣，觀察這些粒子的動力學(xué)很困難。從歷史上看，動力學(xué)因素被認(rèn)為不如熱力學(xué)參數(shù)重要，并被假定為常數(shù)。但是即使是高鹽的水也是這樣嗎？人們認(rèn)為動力學(xué)并不重要，無論如何，它應(yīng)該是相同的。但是使用GISAXS，Jun和斯坦福大學(xué)的前博士生Qingyun Li能夠定量描述碳酸鹽成核的動力學(xué)因子（J0）和熱力學(xué)參數(shù)（界面能，α）之間的關(guān)系，使用石英作為基質(zhì)。

至關(guān)重要的是，能夠在不同鹽度的水中進(jìn)行測試。結(jié)果表明，在高鹽度的水中，界面能比純水低，這意味著成核更容易發(fā)生。然而，動力因素（與構(gòu)建塊的交換速度有關(guān)）是緩慢的。如果在預(yù)測系統(tǒng)時只考慮熱力學(xué)，就高估了成核速率，應(yīng)該包括動力因素的影響。這種影響很重要，原因有很多，而不僅僅是對礦物形成有更好的基本了解。前所未有的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展加快了人民對淡水的需求，此外，大量的超咸水來自水和能源回收站，例如海水淡化廠和使用水力壓裂的常規(guī)/非常規(guī)油氣回收。

因此，為了設(shè)計可持續(xù)的水和能源生產(chǎn)系統(tǒng)，迫切需要了解高鹽水如何影響碳酸鈣成核，從而降低其加工效率。這是一個令人興奮的發(fā)現(xiàn)，通過改變動力學(xué)和熱力學(xué)，可以設(shè)計一個表面來防止成核。通過了解成核發(fā)生的時間和地點，可以預(yù)防或減少成核，延長管道或凈水膜的壽命。相反，也可以在需要的地方增加成核，比如地質(zhì)上的二氧化碳儲存，這種基本的理解給了我們力量和控制。

博科園｜研究/來自：華盛頓大學(xué)圣路易斯分校

參考期刊《物理學(xué)化學(xué)C》

DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b00378

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