Calciumcarbonat ist ein wichtiger nichtmetallischer Mineralrohstoff. Calciumcarbonat-basierte Materialien werden in verschiedenen Produktionsprozessen eingesetzt. Es ist sowohl für die Volkswirtschaft als auch für das tägliche Leben von Bedeutung. Calciumcarbonat findet breite Anwendung in Kunststoffen, Baufarben, Farben, Papierherstellung, Gummi, Tinten, Pigmenten, Klebstoffen, Dichtstoffen, Körperpflegeprodukten, Zahnpasta, Lebensmitteln, Pharmazeutika und vielen weiteren Bereichen.
Aufgrund seiner hohen Verfügbarkeit, niedrigen Kosten, vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, einfachen Verarbeitung und anpassungsfähigen Technologien hat Calciumcarbonat großes Interesse in der Industrie geweckt. Es spielt eine entscheidende Rolle als Grundstoff für aufstrebende Industrien und Hightech-Anwendungen.
1. Anwendung in Polymerbasierte Verbundwerkstoffe
Es gibt viele traditionelle Herstellungs- und Verwendungsmöglichkeiten für Calciumcarbonat. Calciumcarbonat-Whisker – mit ihrer stabförmigen Faserstruktur – können jedoch die mechanischen Eigenschaften von Polymermaterialien, einschließlich Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit, verbessern und haben daher großes Forschungsinteresse geweckt.
Studien zeigen, dass die Zugabe von nur 0,11 TP3T Calciumcarbonat den dynamischen Modul von PHBV um 761 TP3T und den Verlustmodul um 1751 TP3T erhöhen kann. Eine verbesserte Kristallinität des Verbundwerkstoffs und eine erhöhte Tortuosität der Gaswege reduzieren die Sauerstoff- und Wasserdampfdurchlässigkeit deutlich.
2. Anwendung in flammhemmenden Materialien
Auch im Flammschutz, in polymerbasierten Verbundwerkstoffen und bei der Holzmodifizierung ist Calciumcarbonat sehr nützlich. Besonders wichtig ist es in Polymer-/Naturfaser-Verbundwerkstoffen. Kristallines Calciumcarbonat kann sowohl als Verstärkungsmittel als auch als Flammschutzmittel dienen.
Beim Erhitzen zersetzt sich Calciumcarbonat und setzt CO₂ frei, das die Oberflächentemperatur brennender Materialien senkt, brennbare Gase verdünnt und als Barriere für die Sauerstoffdiffusion fungiert – wodurch eine flammhemmende Wirkung erzielt wird.
3. Anwendung in Hydrogelen
Unter sauren Bedingungen fördert Calciumcarbonat die Geweberegeneration und kann im Körper biologisch abgebaut werden. Eine leicht saure Umgebung reguliert die Freisetzung von Calciumionen, die in Hydrogelen ionische Bindungen bilden und so deren mechanische Festigkeit verbessern.
Um die Bioleistung weiter zu verbessern, kombinieren Forscher in Hydrogelformulierungen häufig Calciumcarbonat mit anderen anorganischen Materialien.
4. Anwendung in photokatalytischen Materialien
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Kombination von Cyanogruppendefekten mit Calciumcarbonat die NOₓ-Entfernungseffizienz von graphitischem Kohlenstoffnitrid (g-C₃N₄) deutlich verbessert und von 34,05% (unmodifiziert) auf 51,18% erhöht.
Dies wird auf die basischen Eigenschaften von Calciumcarbonat und seine Rolle bei der Neutralisierung saurer Stickoxide zurückgeführt. In Kombination mit g-C₃N₄ unterstützt Calciumcarbonat nicht nur die NOₓ-Adsorption durch Säure-Base-Wechselwirkungen, sondern fungiert auch als Transferzentrum für photogenerierte Ladungsträger und ermöglicht so den effektiven photokatalytischen Abbau von NOₓ-Gasen.
5. Anwendung in neuen Energiematerialien
Zink-Luft-Batterien bieten als wasserbasierte wiederaufladbare Batterien Vorteile wie Sicherheit, niedrige Kosten und Umweltfreundlichkeit und stellen damit eine vielversprechende Speichertechnologie für grüne Energie dar. Allerdings leiden sie häufig unter schnellem Kapazitätsverlust und mangelnder Zyklenstabilität.
Forscher haben herausgefunden, dass die Beschichtung der Zinkanode mit Nano-Calciumcarbonat die Batterielebensdauer verbessert, indem sie die gleichmäßige und geordnete Ablagerung und Freisetzung von Zinkionen während der Lade- und Entladezyklen steuert.
6. Anwendung in Strahlungskühlungsmaterialien
Die Infrarot-Emissionseigenschaften anorganischer Materialien beruhen hauptsächlich auf ihren anionischen Gruppen. Calciumcarbonat weist im atmosphärischen Fenster (8–13 μm) eine ausgezeichnete Infrarot-Emission auf.
Calciumcarbonat ist ein weit verbreitetes Material – gewonnen aus natürlichen Quellen wie Muscheln und Eierschalen – und ermöglicht das Recycling von Biomasseabfällen zu Strahlungskühlmaterialien. Dies senkt nicht nur die Kosten, sondern fördert auch eine nachhaltige Entwicklung.
Derzeit wird Calciumcarbonat häufig mit Polymeren und funktionellen Additiven kombiniert, um Verbundbeschichtungen herzustellen. Oftmals wird Strahlungskühlung mit anderen Funktionalitäten kombiniert, um die Leistung durch passive Wärmeregulierung zu steigern.
7. Anwendung in der thermischen Energiespeicherung
Calciumcarbonat verfügt über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, mechanische Eigenschaften, Versiegelungsfähigkeit und chemische Stabilität. Es kann zur Verkapselung von Phasenwechselmaterialien in Mikrokapseln verwendet werden. Die gebildete Mikrokapselhülle bietet gute Schutzeigenschaften und eine längere Lebensdauer. Darüber hinaus ist Calciumcarbonat umweltfreundlich, und die daraus hergestellten Mikrokapseln sind nachhaltige Materialien. Die verkapselten Phasenwechselmaterialien umfassen hauptsächlich n-Octadecan oder Paraffinverbundsysteme.
8. Anwendung in der Krebsbehandlung
Calciumcarbonat eignet sich aufgrund seiner geringen Kosten, guten Bioabsorption und Biokompatibilität für die Verabreichung von Medikamenten zur Krebsbehandlung. Allerdings verringert sich aufgrund der hohen Kristallinität die Abbaurate von typischem mikrometergroßem Calciumcarbonat in biologischen Systemen, was die Wirkstofffreisetzungseffizienz erheblich beeinträchtigt. Wissenschaftler setzen amorphe Calciumcarbonat-Nanopartikel als Wirkstoffverabreichungssysteme ein. Im Vergleich zu kristallinem Calciumcarbonat hydrolysiert amorphes Calciumcarbonat im intrazellulären Milieu leichter, was die Wirkstofffreisetzung begünstigt.
9. Anwendung im neuen Papierherstellungsbereich
Forscher haben mithilfe von Nanocellulose als Vorlage flexibles, verformbares Calciumcarbonat mit einem hohen Längen-Durchmesser-Verhältnis hergestellt. Zunächst wird Nanocellulose in Wasser dispergiert und nach gründlichem Rühren Kohlendioxid hinzugegeben, wodurch Calciumoxid an Ort und Stelle Calciumcarbonat um die Nanocellulose bildet. Das entstandene Calciumcarbonat ist 10–30 μm breit und 30–200 μm lang, adsorbiert auf der Oberfläche der Nanocellulose und kollabiert nicht so leicht. Dieses flexible, verformbare Calciumcarbonat wird Zellstoff beigemischt und durch ein Nasspressverfahren zu Papier verarbeitet. Die Cellulose in kalziumreichem Papier verfügt über starke Bindungskräfte und eine ausgezeichnete Zugfestigkeit. Die Verformbarkeit des Calciumcarbonats verleiht dem Papier eine glattere Oberfläche. Mit diesem Verfahren kann die Papierproduktion von holzbasiert auf calciumcarbonatbasiert umgestellt werden, wodurch der Holzverbrauch reduziert und zur nachhaltigen Entwicklung der Papierindustrie beigetragen wird.
10. Anwendung in Baustoffen
Calciumcarbonat-Whisker sind mit Zementzusätzen kompatibel und werden häufig zur Zementverstärkung eingesetzt. Normaler Beton neigt bei Stößen zur Rissbildung, Calciumcarbonat-Whisker können die Rissbildung jedoch kontrollieren. In den letzten Jahren hat sich die Verwendung von Calciumcarbonat-Whiskern, Edelstahlfasern, Basaltfasern und anderen mehrschichtigen Hybridfasern zur Betonverstärkung zu einem wachsenden Trend entwickelt.
11. Anwendung in der Wasseraufbereitung
Calciumcarbonat verfügt über eine hervorragende Pufferkapazität, Neutralisationsfähigkeit und Adsorptionseigenschaften und eignet sich daher für die Wasser- und Abwasseraufbereitung. In der Wasseraufbereitung kann Calciumcarbonat den pH-Wert regulieren, Schadstoffionen entfernen und die Wasserhärte regulieren. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Verringerung von Kalkablagerungen, der Vermeidung von Rohrverstopfungen und der Verbesserung der Wasserressourceneffizienz. In der Abwasseraufbereitung kann Calciumcarbonat organische Schadstoffe und Schwermetallionen adsorbieren. Dies kann die Schadstoffkonzentration im Abwasser reduzieren und so die Wasserressourcen reinigen.
12. Anwendung in der Bodensanierung
Bei der Sanierung verschmutzter Böden kann Calciumcarbonat verschiedene Schwermetallionen ausfällen und den pH-Wert des Bodens regulieren. Dies macht es zu einem wichtigen Bodensanierungsmittel. In der Praxis wird Calciumcarbonat häufig in Kombination mit anderen Tonen verwendet, um bessere Sanierungsergebnisse zu erzielen. Da die Herstellung von Calciumcarbonat einen hohen Energieverbrauch und erhebliche Kohlenstoffemissionen erfordert, sind die jüngsten Fortschritte in der mikrobiell induzierten Calciumcarbonatfällung (MICP)-Technologie vielversprechend. Sie zeichnet sich durch geringen Energieverbrauch und geringe Kohlenstoffemissionen aus und ist daher vielversprechend für die Bodensanierung. MICP hat sich sowohl bei der Abwasserbehandlung als auch bei der Sanierung von Bodenverschmutzungen hervorragend bewährt.
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