Il carbonato di calcio si trova in tre tipi di rocce in particolare, estratte ed utilizzate nell’industria. Si tratta del calcare, della chalk e della dolomite.
Il calcare e la chalk sono entrambe formate da carbonato di calcio mentre la dolomite è una miscela di carbonati di calcio e magnesio. Tutti hanno delle impurità come ad esempio l’argilla, ma si possono trovare rocce pure oltre il 97%. Il calcare e altri prodotti da esso derivati sono ampiamente utilizzati nel settore edile o per neutralizzare composti acidi in una varietà di contesti.
Nell’industria chimica, grandi quantità di calcare vengono riscaldate a circa 1500 K per formare ossido di calcio, noto come calce viva:
Aggiungendo acqua alla calce viva si forma l’idrossido di calcio. Il processo è noto come “spegnimento”. L’idrossido di calcio solido è noto anche come calce spenta o calce idrata mentre le sue soluzioni e sospensioni in acqua sono note come latte di calce.
Il termine calce è spesso usato per indicare sia la calce viva, sia la calce spenta (calce idrata) sia il latte di calce.
Per ogni particolare uso si deve dunque fare una scelta appropriata tra le quattro forme: calcare, calce viva, calce spenta o latte di calce. In molti casi la calce reagisce più rapidamente del calcare ma è sicuramente più costosa per via delle alte temperature necessarie per produrla dal calcare stesso.
Usi di calcare e calce
Il principale uso del calcare e della calce è nell’industria edile e nella produzione di cemento. Calcare e calce sono però anche utilizzati nell’industrie chimica e metallurgica, e in agricoltura.
A livello mondiale le proporzioni di calce utilizzate nei diversi settori sono:
- 60% in metallurgia (principalmente produzione di acciaio, formazione di scorie e suo utilizzo nell’altoforno);
- 25% nelle costruzioni (ad esempio, viene utilizzato con l’asfalto nelle pavimentazioni stradali, per stabilizzare i terreni e nella produzione di malte e intonaci);
- 15% per usi chimici e industriali (ad esempio per produrre sbiancanti utilizzati nella produzione di carta, per produrre carbonato di calcio precipitato, una polvere fine utilizzata nelle mescole per carta e vernici e nella raffinazione dello zucchero, per rimuovere le impurità colloidali) e per usi ambientali (ad esempio, assieme al carbonato di sodio, viene usato delle autorità pubbliche o dell’industria privata per addolcire l’acqua (rimuovere gli ioni di calcio e magnesio), nel trattamento delle acque reflue per rimuovere le particelle colloidali e nella desolforazione dei fumi di scarico).
Tuttavia, queste percentuali variano ampiamente da Paese a Paese. Ad esempio, negli Stati Uniti, le proporzioni sono:
- 38% in metallurgia (principalmente nella produzione di acciaio);
- 31% per usi ambientali (ad esempio, assieme al carbonato di sodio, viene usato delle autorità pubbliche o dell’industria privata per addolcire l’acqua (rimuovere gli ioni di calcio e magnesio), nel trattamento delle acque reflue per rimuovere le particelle colloidali e nella desolforazione dei fumi di scarico);
- 22% per usi chimici e industriali (ad esempio per produrre sbiancanti utilizzati nella produzione di carta, per produrre carbonato di calcio precipitato, una polvere fine utilizzata nelle mescole per carta e vernici e nella raffinazione dello zucchero per rimuovere le impurità colloidali);
- 8% nelle costruzioni (ad esempio, è utilizzato con l’asfalto nelle pavimentazioni stradali, per stabilizzare i terreni e per la produzione di malte e intonaci);
- 1% altri.
Dati dell’US Geological Survey, 2012L’uso nei diversi settori è descritto con maggior dettaglio qui di seguito.
Settore delle costruzioni
Il calcare è stato utilizzato come materiale da costruzione sin dall’età della pietra. In effetti, il più grande utilizzo del calcare e delle varie forme di calce è ancora nel settore delle costruzioni, in particolare nella costruzione di strade e nella realizzazione di strutture, dai grandi progetti di ponti e grattacieli alle singole case. Grandi volumi di carbonato di calcio vengono spesso utilizzati laddove sono necessarie notevoli quantità di aggregato, come ad esempio per le fondamenta delle strade.La calce è spesso apprezzata perché rende il terreno più compatto. Reagisce con i minerali argillosi del terreno per formare composti simili al cemento (ad esempio silicato di calcio e alluminato di calcio (alluminosilicato di calcio)), Figura 2.
Figura 2 (b) Quando viene aggiunta la calce, la quantità di acqua attorno alle particelle di argilla viene ridotta. Le particelle di argilla non sono più in grado di scivolare facilmente e il terreno si rafforza.
Il rafforzamento del suolo consente la costruzione di edifici creando una base stabile. La calce viene anche utilizzata nei cantieri per consentire ai veicoli di grandi dimensioni di muoversi più facilmente (Figura 3).
Per gentile concessione di Singleton Birch.
Il calcare è anche il principale costituente del cemento e del calcestruzzo.
Fabbricazione del cemento
Il cemento viene prodotto mescolando innanzitutto il calcare con sostanze come le argille (contenenti silice, allumina e ossido di ferro (III)) fino a ottenere una polvere fine. L’impasto viene frantumato e inserito in un forno rotativo, un grande tubo di ferro, lungo 60-90 m con un diametro di 6 m. Il tubo viene ruotato e riscaldato a circa 1700 K tramite una fiamma al suo interno. Il forno è leggermente inclinato per consentire ai materiali di raggiungere lentamente l’altra estremità, dove viene rapidamente raffreddato dall’aria a 373-473 K.
L’aria riscaldata ritorna dai refrigeratori ai forni, in un processo che consente di risparmiare combustibile e di aumentare l’efficienza termica.
Il materiale così prodotto, noto come clinker, esce dal forno sotto forma di palline grigie delle dimensioni di una biglia. Il clinker viene macinato in una polvere fine e mescolato con solfato di calcio (gesso) per ottenere la tipica polvere fine grigia. Questo è il cemento ed è essenzialmente una miscela di silicati di calcio e solfato di calcio. Circa il 50% del cemento (spesso noto come cemento Portland) è silicato tricalcico, che idrata e conferisce al cemento la sua forza iniziale, mentre circa il 25% è silicato bicalcico, che idrata più lentamente e conferisce forza aggiuntiva dopo pochi giorni. Quando viene miscelato con acqua, si verificano reazioni chimiche che formano un solido duro ed impermeabile all’acqua. Il ruolo del solfato di calcio è di impedire che il cemento indurisca troppo rapidamente.
Ogni anno vengono prodotti circa 3,6 miliardi di tonnellate di cemento, di cui la sola Cina ne produce 2,0 miliardi, e con l’India che ne produce 280 milioni 1. La polvere di cemento viene solitamente miscelata con sabbia e inerti (ghiaia, granito) e quando necessario, viene poi mescolata con acqua per formare il calcestruzzo.
Figure 5 e 6 Prima dell’uso del cemento moderno, costruttori e muratori utilizzavano una miscela di calce (idrossido di calcio), sabbia e acqua, nota come malta di calce o semplicemente malta. La malta è stata utilizzata per oltre 6000 anni, ad esempio per gli edifici dell’antica Grecia e dell’antica Roma. Quando questi edifici vengono ristrutturati, viene utilizzata malta di calce anziché cemento. In queste fotografie dello York Minster, un edificio relativamente moderno, risalente a soli 900 anni fa, la malta di calce è stata utilizzata nel corso dei secoli per ristrutturare le parti della muratura in pietra oggetto di sostituzione a causa degli agenti atmosferici.
Per gentile concessione di Jessica Waddington.
Industria e ambiente
Molti laghi sono diventati troppo acidi a causa dell’inquinamento dell’aria (piogge acide) in diverse parti del mondo, come ad esempio negli Stati Uniti, in Scandinavia e in Scozia. I laghi vengono irrorati con carbonato di calcio in polvere molto fine (Figura 7). In alternativa, per cercare di trattare questo problema, si deposita la polvere di calcare nelle aree non piantate vicino alle sorgenti dei torrenti che portano ai laghi.
Per gentile concessione di Rickard Gillberg.
Il calcare e le varie forme di calce vengono utilizzati in grandi quantità per ripulire l’ambiente, neutralizzando gli acidi. Ad esempio, il calcare e la calce viva vengono utilizzati per rimuovere l’anidride solforosa prodotta dalla combustione del carbone nelle centrali elettriche. Anche il carbone più “pulito” può contenere l’1% di zolfo.
I gas di combustione, gli effluenti gassosi provenienti dalla combustione del carbone, vengono fatti passare attraverso uno spray di calcare macinato fine o di calce viva sospesa in acqua. L’anidride solforosa, essendo un acido, reagisce con loro, secondo la reazione:
Il solfito di calcio risultante si raccoglie alla base dell’assorbitore ove viene poi insufflata aria compressa. Il solfito di calcio reagendo poi con l’aria va a formare solfato di calcio (gesso), utilizzato ad esempio per realizzare cartongesso e cemento.
Il carbonato di calcio finissimo e puro viene utilizzato come riempitivo nelle plastiche e nella carta. Un riempitivo è una sostanza che conferisce volume ma non altera le proprietà della sostanza a cui viene aggiunto, agendo da inerte. Il carbonato di calcio, se tritato molto finemente (meno di 2 micron), viene utilizzato nelle vernici per ottenere una finitura “opaca”.
Il carbonato di calcio viene anche utilizzato:
- per produrre carbonato di sodio con il processo Solvay
- in altoforno
- nella fabbricazione del vetro
Gli usi sono ulteriormente riassunti nella Figura 8.
In agricoltura
Il calcare e la calce in tutte le sue forme vengono utilizzati per neutralizzare gli acidi nel terreno e creare così le condizioni ottimali del suolo per la crescita delle colture. Aiutano anche ad abbattere le argille come descritto sopra, migliorando la struttura del suolo, migliorando ad esempio il drenaggio e riducendo così l’erosione del suolo stesso. Inoltre forniscono una fonte di ioni calcio che sono un importante nutriente per le piante.
Produzione annuale di calcare
I dati della produzione annua di carbonato di calcio non sono completamente disponibili. Ogni anno negli Stati Uniti vengono estratti circa 1 miliardo di tonnellate dei suoi due minerali principali, calcare e dolomite. Date le quantità relative di calce utilizzata in diversi paesi, una stima dell’estrazione mondiale di carbonato di calcio è di circa 15 miliardi di tonnellate all’anno.
Produzione annua di calce (ossido di calcio e idrossido di calcio)
| Mondo | 350 milioni di tonnellate |
| Cina | 230 milioni di tonnellate |
| USA | 19 milioni di tonnellate |
| India | 16 milioni di tonnellate |
| Russia | 11 milioni di tonnellate |
Produzione di ossido di calcio (calce viva)
Il carbonato di calcio (calcare) viene riscaldato per formare ossido di calcio (calce viva) e anidride carbonica:
È una reazione endotermica e l’equilibrio è spostato molto a sinistra alle basse temperature. Solo a circa 1200 K la pressione parziale dell’anidride carbonica supera la pressione atmosferica e la decomposizione procede a completamento.
La calce viva è prodotta in forni rivestiti in refrattario. Esistono differenti modelli di forno, ma i più comuni si basano sul forno a condotto verticale (Figura 9).
Il forno è in acciaio rivestito con mattoni refrattari. Il calcare viene immesso dall’alto, mentre l’aria o viene aspirata da ventilatori o viene spinta da soffiatori tipo roots, dal basso verso l’alto (in controcorrente). Il combustibile viene alimentato attraverso le pareti del forno, utilizzando 8-10 lance inserite sui lati del forno.
Il forno da calce si compone di tre zone principali:
- la zona di preriscaldo, dove il calore dei prodotti della combustione, tra i quali l’anidride carbonica derivante dalla dissociazione del calcare, viene utilizzato per preriscaldare il calcare a 1200 K;
- la zona di combustione, dove il calcare viene decomposto in calce viva a temperature del gas di 1500 K, con un processo noto come calcinazione;
- la zona di raffreddamento, dove il calore della calce in uscita dalla zona di combustione viene utilizzato per preriscaldare a 600-750 K l’aria necessaria alla combustione.
I combustibili utilizzati variano a seconda di quanto disponibile. Molti forni utilizzano gas naturale, ma in alcuni casi si utilizza anche derivati del petrolio. In altri casi ancora sono usati combustibili solidi, come il carbone finemente polverizzato, che vengono pressurizzati e pompati in modo che agiscano come un fluido.
Se non c’è abbastanza aria per completare la combustione del carburante, ne viene iniettata altra direttamente nella zona di combustione.
Molti forni di recente introduzione hanno due unità parallele (Figura 10). Sono conosciuti come forni a due condotti. Nel semplice forno singolo, descritto sopra, l’aria viene pompata nel forno mentre il calcare scorre verso il basso. Questo è noto come sistema in controflusso. Nel forno a due condotti, noto come forno da calce rigenerativo a flusso parallelo (PFR), l’aria ei gas di combustione viaggiano paralleli al calcare. Il carburante viene iniettato appena sopra la zona di combustione, il calcare assorbe la maggior parte del calore rilasciato dal carburante e quindi la temperatura della zona di combustione può essere ridotta a 1400 K, pari alla temperatura di decomposizione del calcare.
Molti forni di recente introduzione hanno due unità parallele (Figura 10). Sono conosciuti come forni a due condotti. Nel semplice forno singolo, descritto sopra, l’aria viene pompata nel forno mentre il calcare scorre verso il basso. Questo è noto come sistema in controflusso. Nel forno a due condotti, noto come forno da calce rigenerativo a flusso parallelo (PFR), l’aria ei gas di combustione viaggiano paralleli al calcare. Il carburante viene iniettato appena sopra la zona di combustione, il calcare assorbe la maggior parte del calore rilasciato dal carburante e quindi la temperatura della zona di combustione può essere ridotta a 1400 K, pari alla temperatura di decomposizione del calcare.
Figura 10 Produzione di calce: forno da calce rigenerativo a flusso parallelo (PFR).
Per gentile concessione di Maerz Ofenbau AG.
Figura 11 Un forno da calce rigenerativo a flusso parallelo (PFR) in Messico.
Per gentile concessione di Maerz Ofenbau AG
Nel disegno, il condotto di sinistra è rappresentato in modalità combustione. I gas di scarico attraversano la camera di destra, in modalità non in combustione.
Questi gas caldi salgono in controcorrente rispetto alla pietra, riscaldandola in modo tale da permettere alla camera di destra di entrare in modalità combustione, mentre la camera di sinistra si riporterà in modalità non in combustione.
Ogni camera passa dalla modalità combustione alla modalità non in combustione ogni 10 minuti circa.
Si riscontra una forte riduzione del combustibile utilizzato dal forno a due condotti rispetto al forno a singolo condotto.
Questi forni hanno la capacità di produrre fino a 800 tonnellate di calce al giorno.
La calce viva è generalmente venduta come granuli o come polvere finemente macinata.
Produzione di idrossido di calcio (calce idrata)
La reazione della calce viva con l’acqua è esotermica.
L’idrossido di calcio in polvere viene prodotto idratando la calce viva con un eccesso controllato di acqua per ottenere un prodotto secco. Il latte di calce si prepara spegnendo la calce viva con un eccesso di acqua.
Foto in alto di Andrew Buchanan su Unsplash