Lisäaineiden vaikutus magnesiumoksidin hydratoitumiseen ja karbonaatioon sekä karbonaattien stabiilisuuteen

Magnesiumkarbonaattipohjaiset mineraalit voivat sitoa ja varastoida hiilidioksidia (CO₂) vakaiksi mineraalikarbonaateiksi. Niitä voidaan hyödyntää rakennusmateriaalien valmistukseen, joiden hiilijalanjälki on Portland-sementtiä pienempi tai jopa negatiivinen. Näiden sideaineiden käytössä on kuitenkin haasteita, jotka on ratkaistava, jotta niitä voidaan hyödyntää laajasti käytännön sovelluksissa. Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli käsitellä kahta keskeistä ongelmaa. Ensinnäkin, pääraaka-aineen magnesiumoksidin (MgO) reaktiivisuus on hidasta. Tätä tutkittiin lisäämällä orgaanisia lisäaineita – asetaattia, formiaattia ja sitraattia. Toiseksi, CO₂:n reagoidessa materiaalin kanssa muodostuu hydratoituja magnesiumkarbonaattimineraaleja (HMC:itä). Huoneenlämmössä yleisin on neskehoniitti [MgCO₃·3H₂O]. Koska neskehoniitti on metastabiili, se voi muuttua vakaammiksi HMC-mineraaleiksi, mikä johtaa tilavuuden pienenemiseen, CO₂:n vapautumiseen ja rakenteellisiin riskeihin rakennusmateriaaleissa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi tutkittiin kahta lähestymistapaa neskehoniitin stabiloimiseksi: doping sinkki-ioneilla (Zn²⁺) sekä kemiallisen ympäristön ja pH-arvon säätely vesiliuoksessa.
Tutkimuksessa havaittiin ja raportoitiin kirjallisuudessa ensimmäistä kertaa bruksiitin yhteissaostuminen orgaanisten lisäaineiden kanssa, jolloin muodostui ns. orgaanismuokattu bruksiitti. Lisäksi asetaattidopatun bruksiitin reaktio CO₂:n kanssa johti harvinaisemman HMC-mineraalin, giorgiosiitin, muodostumiseen, toisin kuin vertailunäytteessä, jossa muodostui neskehoniittia. Nämä löydökset osoittavat, että magnesiumkarbonaattien muodostumisreittejä voidaan ohjata. Zn²⁺-doping ei stabiloinut neskehoniittia, vaan muodosti kiinteän liuoksen dypingiitin [Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·5H₂O] kanssa, jonka suurin Zn/(Mg+Zn)-moolisuhde oli 0,01. Tämä liuos todettiin termodynaamisesti vakaammaksi kuin puhdas dypingiitti. Kemiallisen ympäristön muuntelu sen sijaan onnistui: neskehoniitin havaittiin reagoivan fosfaatin kanssa muodostaen magnesiumkaliumfosfaattifaaseja (MKP), jotka saostuivat sen pinnalle, estivät magnesiumin liukenemisen ja stabiloivat neskehoniitin onnistuneesti. Tämän työn tulokset syventävät ymmärrystä HMC-mineraalien stabilointimekanismeista ja mahdollistavat niiden turvallisen hyödyntämisen rakennusmateriaaleina.