RICERCA ITALIANA     

Microstruttura, morfologia e reattività: Modellizzazione e misura dei processi di cristallizzazione e dissoluzione dei minerali

Università degli Studi di Milano

Abstract

Nell'ambito del progetto si propone lo studio dell'evoluzione morfologica, strutturale, microstrutturale e chimica di minerali durante alcune reazioni chimiche, con specifico riguardo ai processi di cristallizzazione e dissoluzione. Lo studio vuole: (1) utilizzare avanzate tecniche di caratterizzazione sperimentali IN SITU per la misura sperimentale delle cinetiche di reazione, sia in bulk che su facce specifiche dei cristalli, (2) valutare gli effetti dovuti ad area superficiale e difettualità microstrutturale sulle cinetiche di reazione, e (3) modellizzare le cinetiche sperimentali delle reazioni mediante modelli adeguati di nucleazione, crescita e dissoluzione cristalline.
Il progetto prosegue l'attività di ricerca finanziata nel biennio precedente e focalizzata sull'applicazione di tecniche sperimentali non convenzionali in situ (diffrazione con radiazione di sincrotrone, microscopia a forza atomica) allo studio della reattività superficiale in materiali di interesse geologico (solfati, solfuri) e applicativo (zeoliti, fasi dei cementi). Sulla base dei risultati ottenuti, fortemente innovativi a livello nazionale ed internazionale sia dal punto di vista delle tecniche sperimentali, sia dal punto di vista dei dati cinetici, si vuole ora focalizzare l'attenzione allo studio dettagliato delle reazioni di cristallizzazione e dissoluzione di minerali solfati (quali gesso, bassanite) e carbonati (quali calcite, idrozincite, e altri carbonati di metalli pesanti).
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Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Gilberto ARTIOLI Università degli Studi di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

La comprensione della reattività superficiale è essenziale per la corretta interpretazione delle interazioni dei minerali con il loro intorno chimico. I processi chimici coinvolti nelle reazioni superficiali dei minerali includono i processi di nucleazione e crescita cristalline, i processi di rilassamento strutturale e di superficie, i processi di idratazione, dissoluzione ed adsorbimento chimico. La caratterizzazione di tali processi a livello molecolare è la chiave per interpretare adeguatamente il comportamento dei minerali in un ampio spettro di processi naturali, ambientali e industriali, che spaziano dalla ricristallizzazione di fasi solide nelle rocce e nei suoli, all'interazione dei minerali con inquinanti chimici prodotti da attività industriali, al ruolo dei minerali nella distribuzione e trasporto di specie chimiche tossiche o di interesse economico, al controllo delle fasi minerali sulla reologia delle paste cementizie durante l'idratazione.
Il progetto qui proposto nasce dalle competenze e dalle sinergie che si sono sviluppate negli ultimi anni fra alcuni gruppi di ricerca (UNIMI, UNITN, UNICA, UNITO, POLIMI) che hanno un attivo interesse nel campo delle reazioni chimiche e delle interazioni superficiali nei minerali.
Nell'ambito di un precedente progetto (PRIN-COFIN 2002) focalizzato sull'ottimizzazione delle tecniche sperimentali in situ per lo studio delle superfici minerali, sono state attivate diverse proficue collaborazioni a livello >>>

Risultati parziali attesi

(1) caratterizzazione dettagliata dei sistemi chimico-fisici selezionati, incluse le specie chimiche in soluzione, la struttura e la microstruttura delle superfici di reazione, le impurezze e la difettualita' dei solidi. Primi risultati di microtopografia e sua evoluzione temporale mediante AFM.

(2) analisi preliminare delle cinetiche di assorbimento per ottimizzare i tempi e le condizioni ambientali da utilizzarsi negli esperimenti con luce di sincrotrone. Queste analisi preliminari saranno effettuate con diffrattometria di raggi-X in situ e tecniche di analisi chimica ex situ.

(3) progettazione dettagliata degli esperimenti da effettuarsi con luce di sincrotrone

(4) inizio della valutazione dei modelli da applicare per l'interpretazione delle cinetiche dei processi(1) completamento della caratterizzazione dei campioni e dell'analisi dei dati.

(2) modellizzazione dei processi cinetici, interpretazione dei meccanismi microscopici e loro relazione con i parametri macroscopici dei sistemi

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La comprensione ed il controllo dei processi chimici che coinvolgono fasi cristalline devono necessariamente essere basati su una conoscenza approfondita della reattività superficiale a livello atomico e molecolare (Vaughan and Pattrick 1995, Hochella 2002). I processi all'interfaccia solido-solido o solido-fluido, quali l'adsorbimento, la diffusione, la dissoluzione, la nucleazione e la crescita cristalline, l'amorfizzazione, il rilassamento superficiale devono essere interpretati a livello microscopico per poter fornire elementi adeguati all'interpretazione della termodinamica e della cinetica delle reazioni chimiche superficiali (Putnis et al. 1999). La reattività superficiale nei minerali è il meccanismo fondamentale in una vasta gamma di processi naturali ed industriali che spaziano dalla cristallizzazione di fasi solide nelle rocce e nei suoli, alla interazione di minerali con inquinanti chimici fluido-dispersi prodotti naturalmente o dalle attività antropiche (Vaughan and Wogelius 2000), alla distribuzione ed al trasporto di specie chimiche tossiche o di importanza strategica ed industriale. Una comprensione dettagliata dei fenomeni fisico-chimici e cristallografico-strutturali che ne stanno alla base serve quindi alla definizione, al controllo ed allo sfruttamento sia dei processi naturali a larga scala, sia dei processi di trasformazione di minerali a livello applicativo ed industriale.
Il presente progetto, muovendo da recenti esperienze e risultati sulla >>>