سولفات کلسیم یک ترکیب معدنی با فرمول CaSO4 میباشد که به شکل بی آب و به عنوان یک ماده خشک کننده مورد استفاده قرار میگیرد. یکی از هیدراتهای خاص آن بیشتر به عنوان گچ پاریس شناخته میشود و هیدرات دیگر نیز به عنوان گچ معدنی در طبیعت وجود دارد. همه اشکال سولفات کلسیم جامدات سفید رنگی هستند که در آب حلالیت کمی دارند. سولفات کلسیم موجب سختی دائمی آب میشود. این ترکیب در صنعت کاربردهای زیادی دارد.
خواص و ویژگیهای سولفات کلسیم (CaSO4)
- فرمول: CaSO4
- ظاهر: جامد سفید رنگ و بدون بو
- جرم مولی: 136.14 گرم بر مول (بی آب)
- جرم مولی: 145.15 گرم در مول (همی هیدرات)
- جرم مولی: 172.172 گرم در مول (دی هیدرات)
- چگالی: 2.96 گرم بر سانتی متر مکعب (بی آب)
- چگالی: 2.32 گرم بر سانتی متر مکعب (دی هیدرات)
- نقطه ذوب: 1460 درجه سانتی گراد (2660 درجه فارنهایت یا 1730 کلوین) (بی آب)
- حلالیت در آب: 0.26 گرم در 100 میلی لیتر در دمای 25 درجه سانتیگراد (دی هیدرات)
- کاتیونهای دیگر مثل سولفات منیزیم، سولفات استرانسیم و سولفات باریم
- خشک کنندههای مرتبط مثل کلرید کلسیم، سولفات منیزیم
- ترکیبات مرتبط مانند گچ پاریس، گچ
ترکیبات مرتبط سولفات کلسیم
حالتهای هیدراتاسیون و ساختارهای کریستالوگرافی
این ترکیب در سه سطح هیدراتاسیون، مربوط به ساختارهای کریستالوگرافی مختلف و مواد معدنی وجود دارد:
- انیدریت (حالت بی آب)
- ارتوسیلیکات زیرکونیوم (زیرکون)
- گچ و سلنیت
- باسانیت یا گچ پاریس
کاربرد اصلی سولفات کلسیم تولید گچ و گچ پاریس است. سولفات کلسیم پودر و کلسینه میشود، پس از هیدراته شدن، خمیر قالب گیری را تشکیل میدهد و به عنوان دی هیدرات سولفات کلسیم، به شکل کریستالی سخت در میآید. سولفات کلسیم در آب کمی محلول است ولی پس از انجماد به راحتی در آب حل نمیشود.
سولفات کلسیم نسبت به آب نامحلول است. این ترکیب توسط دو مولکول آب پوشیده میشود. با توجه به تعداد مولکولهایی که آن را میپوشاند به انواع مختلفی تقسیم میشود.
انواع سولفات کلسیم
- سولفات کلسیم بیآب یا خشک: در ساختار این ماده، هیچ مولکول آبی وجود ندارد و شکلی جامد دارد.
- سولفات کلسیم نیمهآب یا گچ: در ساختار این ماده، نیم مولکول آب وجود دارد. برای تولید گچ، نصف مولکول آب متبلور شده و سولفات کلسیم خشک، حرارت داده میشود و واکنش کلسینه شدن رخ میدهد.
- سولفات کلسیم دوآبه: در اثر مخلوط شدن آب و گچ، سولفات کلسیم دوآبه ایجاد میشود.
واکنش های هیدراتاسیون و کم آبی
با حرارت دادن معقول، گچ به ماده معدنی نیمه آب شدهای به نام باسانیت یا گچ پاریس تبدیل میشود. خاصیت گرماگیر بودن این واکنش به عملکرد دیوار خشک مربوط میشود و به سازههای مسکونی و سایر سازهها مقاومتی در برابر آتش میبخشد. در آتش سوزی، ساختار پشت یک ورق دیوار خشک نسبتاً خنک باقی میماند. در دماهای بالاتر، سولفات کلسیم به عنوان یک عامل اکسید کننده عمل میکند.
از این خاصیت در آلومینوترمی استفاده میشود. بر خلاف بسیاری از مواد معدنی، گچ کلسینه شده دارای خاصیت غیرعادی است. هنگامی که با آب در دمای معمولی مخلوط میشود، به سرعت به شکل دی در میآید ولی از نظر فیزیکی یک شبکه کریستالی گچی سخت و نسبتاً قوی تشکیل میدهد.
این واکنش گرمازا میباشد و سبب سهولت ریختن گچ به شکلهای مختلف از جمله ورق برای دیوار خشک، چوب برای گچ تخته سیاه و قالب برای بیحرکت کردن استخوانهای شکسته یا ریختهگری فلز میشود. در حالت مخلوط با پلیمرها نیز در ترمیمکننده استخوان کاربرد دارد.
مقادیر کمی گچ کلسینه شده به زمین اضافه میشود تا ساختارهای مستحکمی را به طور مستقیم از خاک ریختهگری ایجاد کند و جایگزینی برای خشت است. انیدریت طبیعی حتی در بازههای زمانی زمین شناسی با آب واکنش نمیدهد، مگر اینکه خیلی ریز آسیاب شود. ترکیب همی هیدرات و انیدریت میتواند مقادیر متغیر آب یا مولکولهای کوچک دیگر مانند متانول را در خود جای دهد.
روش تولید
منابع اصلی سولفات کلسیم، گچ و انیدریت طبیعی هستند که در بسیاری از نقاط جهان به صورت تبخیر وجود دارند. اینها ممکن است از معادن باز یا عمیق استخراج شوند. تولید جهانی گچ طبیعی در حدود 127 میلیون تن در سال است. سولفات کلسیم، علاوه بر منابع طبیعی به عنوان یک محصول جانبی در تعدادی از فرآیندها تولید میشود:
- در گوگردزدایی از گازهای دودکش، گازهای خروجی از نیروگاههای سوخت فسیلی و سایر فرآیندها، سولفیت کلسیم ناخالص تولید میشود که در ذخیرهسازی به سولفات کلسیم اکسید میشود.
- در تولید اسید فسفریک از سنگ فسفات، فسفات کلسیم با اسید سولفوریک و رسوبات سولفات کلسیم تصفیه میشود.
- در تولید هیدروژن فلوراید، فلوراید کلسیم با اسید سولفوریک تصفیه و سولفات کلسیم رسوب میشود.
- در پالایش روی، محلولهای سولفات روی با آهک هیدراته تصفیه میشوند تا فلزات سنگین مانند باریم را رسوب دهند.
- سولفات کلسیم را میتوان از دیوارهای خشک ضایعاتی در سایتهای ساختمانی بازیافت کرد.
کاربرد سولفات کلسیم در صنایع غذایی
هیدراتهای سولفات کلسیم در نقش منعقد کننده در محصولاتی مانند توفو استفاده میشود. در پنیر و محصولات مشابه مجاز است، همچنین در محصولاتی چون آرد غلات، محصولات نانوایی، دسرهای منجمد، شیرین کنندههای مصنوعی مانند ژله و مواد نگهدارنده، چاشنی سبزیجات، چاشنی گوجه فرنگی و آب نبات کاربرد دارد. فائو سازمان ملل سولفات کلسیم را به عنوان یک عامل سفت کننده، عامل تصفیه آرد، جدا کننده و عامل خمیر کننده میشناسد.
کاربرد در پزشکی
سولفات کلسیم برای اولین بار در سال 1892 در کلینیکی در بن آلمان استفاده شد. دیریسمن (1892) از CS برای پر کردن نقایص استخوانی در هشت بیمار استفاده کرد. شش نفر از این بیماران با حفرههای سلی مراجعه کردند. سه نفر از این شش بیمار تشکیل استخوان گستردهای را نشان دادند و دو نفر از آنها هیچ نشانهای از بهبودی نداشتند.
یکی از بیماران دو حفره داشت که یکی از آنها خیلی خوب شد و دیگری خوب نشد. در یک بیمار مبتلا به انکوندروما، تومور برداشته شد و حفره حاصل با گلولههای CS پر شد. این حفره رشد استخوانی قابل توجهی را نشان داد و حفره استئومیلیت به خوبی بهبود یافت. به طور کلی، CS به عنوان یک ماده پیوند استخوان بسیار خوب عمل کرد.
کاربرد سولفات کلسیم در دندانپزشکی
سولفات کلسیم سابقهای طولانی در کاربردهای دندانپزشکی دارد. این ماده در بازسازی استخوان نقش ماده پیوند و پیوند دهنده دارد و مانند مانع، در بازسازی بافت هدایت شده کاربرد دارد. این ماده به طور غیرمعمولی زیست سازگار است و پس از کاشت کاملا جذب میشود و یک محیط غنی از کلسیم در ناحیه کاشت ایجاد میکند.
دندانپزشکی نیاز به قالبهای دندانی مخصوص دارد که از گچ برای ساخت آن استفاده میشود. قالبهای اجزای ترمیم باید در بیرون از بدن بیمار ساخته شود و از قالبهایی با کپیهایی دقیق تشکیل شود. معمولاً این قالبها از موادی استفاده میکنند که در ابتدا مایع است و سپس درون قالب ریخته میشوند. پس از این سفت میگردد تا به یک ماکت سخت تبدیل شود. مدل دندانپزشکی یک کپی از بافتهای نرم و سفت دندان است. به طور معمول هر مدل از یک دندان ساخته میشود. محبوبترین این قالبها از مواد گچی و محصولات آن تهیه شده است.
گچ دندانپزشکی، پودری طبیعی و سفید رنگ با نام سولفات کلسیم دی هیدرات یا دوآبه میباشد و برای آن استانداردهایی در نظر گرفته شده است. محصولات گچی که در دندانپزشکی به کار میروند با خارج شدن بخشی از آب از بلور گچ به وجود میآید که تشکیل سولفات کلسیم هیدراته را میدهد. به فرآیندی که در آن گچ دندانپزشکی تولید میشود، آهکی شدن میگویند. در این فرآیند بخشی از آب تبلور تا دمای ۱۲۲ درجه سانتیگراد گرم میشود تا ذرات متخلخل نامنظم در گچ به وجود بیاید.
قالبهای ساخته شده از گچها در دندانپزشکی ارزان قیمت هستند. دارای دقت و ثبات مناسب میباشند و جزئیات ریز و قالبهای کوچک را نیز دنبال میکنند، همچنین به اندازهای محکم هستند که سوراخ در آنها ایجاد نشود. البته، از نظر مکانیکی ایدهآل نیستند و گاهی به دلیل ترک و شکستگی به مشکل میخورند.
سنگهای دندانپزشکی برای کاربردهایی استفاده میشود که نیاز به دقت و مراقبت وجود دارد. این مدلها برای کارهایی مثل قرار دادن تاج یا دندان مصنوعی و پر کردن مورد استفاده قرار میگیرند، به علاوه، از گچ دندانپزشکی برای مدلهایی از جنس سنگ دندانپزشکی و ساخت مدلهای آموزشی استفاده میشود.
سنگهای به نسبت محکم دندانپزشکی به دو روش کلی تولید میشوند. در روش اول گچ تحت بخار آب و فشار در یک اتوکلاو قرار میگیرد و در حدود ۱۲۵ درجه سانتیگراد حرارت میبیند تا آلفا همی هیدرات که تخلخل کمتری دارد تولید شود. در روش دوم گچ در محلول نمکی مثل کلرید کلسیم جوشانده میشود و نتیجه مادهای مشابه است که توسط اتوکلاو تولید شده است، ولی تخلخل آن حتی از قبل هم کمتر میباشد. به طور معمول کمی رنگ به سنگ دندانپزشکی اضافه میشود تا از گچ دندانپزشکی تشخیص داده شود.
شاید بپرسید که استفاده از مدلها و قالبهای که از گچ دندانپزشکی استفاده میکنند، چه مزایا و معایبی دارد؟ قیمت گچ دندانپزشکی به نسبت ارزان و استفاده از آن نیز آسان است. قالبگیری دارای قدرت و ثبات مناسبی است و میتواند جزئیات کوچک را نیز داشته باشد. گاهی اوقات استفاده از مدل گچی به همراه قالب آلژینات سبب بروز مشکلاتی میشود. برای مثال گچ نرم باقی میماند.
سنگهای دندانپزشکی نیز در مواردی استفاده میشود که نیاز به سختی و مقاومت حس میشود. مراحل استفاده از محصولات گچی در دندانپزشکی هیدراتاسیون کلسیم سولفات همی هیدرات با آب برای تولید کلسیم سولفات دی هیدرات میباشد. دندانپزشکی با آب مخلوط میشود تا آب اضافی توسط تخلخلهای ذرات گچ جذب شود. مواد باید به سرعت پس از مخلوط شدن مورد استفاده قرار بگیرند، زیرا ویسکوزیته به قدری زیاد میشود که دیگر قابلیت استفاده نخواهد داشت.
پس از استفاده نیز باید ظرف حاوی مخلوط را به دقت شستشو داد. در حین مخلوط شدن ممکن است مقادیری از هوا وارد شود و باعث تخلخل در ماده نهایی گردد. تکان دادن و لرزاندن مخلوط سبب خارج شدن حبابهای هوا میشود. فرایند خشک شدن گچ پس از تهیه مخلوط با سرعت زیادی آغاز میشود تا زمانی که بیشتر همی هیدرات به دی هیدرات تبدیل شود.
خشک شدن گچ دندانپزشکی در مرحله دارد که خشک شدن اولیه زمانی است که مخلوط گچ و آب شبیه جامد میشود و روان نخواهد بود. بنابراین، میتوان مواد اضافی را با چاقو خارج کرد. خشک شدن نهایی قالبها بسیار محکم هستند و میتوان روی آنها کار کرد که یکی دو ساعت پس از مرحله قبل اتفاق میافتد.
کاربرد سولفات کلسیم در مصالح ساختمانی
گچ کاربردهای بسیار متنوعی دارد. تخته گچی در درجه اول به عنوان روکش دیوار و یا سقف استفاده میشود. به علاوه، در ساخت و ساز به عنوان دیوار خشک یا گچ تخته کاربرد دارد. گچ در آتلهای جراحی، قالبهای ریخته گری و مدل سازی با استفاده از خاصیت انعقاد عمل میکند.
تخته گچی، به عنوان دیوار خشک، گچ تخته یا تخته دیوار شناخته میشود. به علاوه، در تشکیل پانلهای ساخته شده از گچ که بین دو ورق کاغذ ضخیم فشرده میشود، مورد استفاده قرار میگیرد. گچ تخته به عنوان پارتیشن و آستر دیوار، سقف، و کف استفاده میشود. دارای ویژگیهای بسیاری است که آن را به مصالح ساختمانی تبدیل میکند. گچ به دلیل رسانایی حرارتی کم به عنوان یک عایق حرارتی عمل میکند. علاوه بر این، قابلیت ذخیره گرما نیز دارد.
کاربرد سولفات کلسیم در کشاورزی
گچ برای اصلاح خاک به صورت کود و اصلاح کننده خاک کاربرد دارد. گچ اغلب به عنوان بخشی از یک استراتژی برای اصلاح خاک فشرده شده یا خاک با مقادیر زیادی رس استفاده میشود، همچنین برای مقابله با شوری بیش از حد در خاک کاربرد دارد. گچ بر روی pH خاک تأثیری نمیگذارد.
سولفات کلسیم کودی است که به اصلاحکننده خاک مشهور است. این کود زیاد به عنوان منبع تغذیه مطرح نیست و به جای آن از سولفات کلسیم یا گچ کشاورزی استفاده میشود که در محصولاتی مثل پنبه، سویا، ذرت و یونجه کاربرد دارد. کلسیم، گوگرد و منیزم جزء مواد مغذی ثانویه محسوب میشوند.
- کلسیم در استحکام بافت میوه تاثیر دارد.
- وجود کلسیم برای بسیاری از عملکردهای گیاه از جمله تقسیم سلولی، جذب نیترات و فعالیت آنزیمها ضروری است.
- ماده افزودنی سولفات کلسیم، از جمله راههای پیشگیری از بیماری پوسیدگی شکوفه گوجه فرنگی استفاده میشود.
- گچ یا همان سولفات کلسیم یک منبع عالی از گوگرد برای تغذیه گیاهان محسوب میشود.
- عنصر متعادل کننده در جذب مواد مغذی ضروری و بهبود شرایط رشد گیاهان است.
- گچ موجب کاهش وزن مخصوص ظاهری خاک میشود.
- در پارهای از زمینها که پس از آبیاری سطحی خاک سله بسته و ترک میخورند، کاربرد دارد.
- سطح نمک را با عبور آب در خاک در حد متعادل نگه میدارد.
- در بهبود ساختار خاک به خصوص بافت رسی و افزایش هوا دهی نقش دارد.
- گچ کشاورزی جهت اصلاح خاکهای رس و دارای لایه متراکم استفاده میشود.
- از هدر رفت فسفر حل شده جلوگیری کرده و آن را در خاک نگه میدارد.
- استفاده از گچ بازده آب آبیاری را افزایش میدهد.
- باعث کاهش رواناب مواد مغذی و فرسایش خاک است.
- منیزیم داخل خاک را غیر سمی کرده و از پراکندگی آن جلوگیری میکند.
- گچ میتواند بخش خیلی کمی از اکسیژن موردنیاز ریشه را نیز تأمین کند.
- کلسیم سولفات خاک را اسیدی نمیکند و گوگرد را به راحتی در دسترس گیاه قرار میدهد.
- سولفات کلسیم باعث تثبیت نیتروژن کود اوره شده و میزان تبخیر آن را کاهش میدهد.
- گچ میزان فرسایش و تولیدی روان آب را در زمینهای شیبدار کاهش میدهد.
- گچ مانع از بوی نامطبوع کودهای حیوانی میشود.
- گچ به رشد و نمو کرم خاکی در خاک کمک میکند.
- سولفات کلسیم به عنوان یک بافر pH میتواند با خنثی کردن خاکهای اسیدی و قلیایی، به تقویت رشد گیاه کمک کند.
- کودهای سولفات کلسیم منبع غنی از گوگرد هستند و در تمام مراحل رشدی گیاه یک عنصر ضروری تلقی میشود.
- دارای مواد معدنی محلول است و توانایی محدود کردن عنصر مخربی مانند آلومینیوم را دارد.
- در مناطقی که میزان عنصر سدیم به شدت بالا است، کاربرد کود سولفات کلسیم در آب آبیاری بسیار رایج و کارآمد است.
- کود سولفات کلسیم باید سالی یکبار یا دوبار به خاک اضافه شود.
روش استفاده از کود سولفات کلسیم در کشاورزی
برای هر سه لیتر آب، به میزان یک تا دو قاشق غذاخوری در پای گیاهان اضافه کنید. برای استفاده در خاک نیز یک تا دو قاشق غذاخوری را به 3 لیتر آب مخلوط نمایید و بر روی شاخ و برگ گیاهان اسپری کنید تا گیاهتان اصلاح شود. برای دفعات بعدی میتوانید از گچ کشاورزی اضافه نیز استفاده کنید.
کاربرد سولفات کلسیم در تولید اسیدسولفوریک و کلینکر سیمان
تا دهه 1970، مقادیر تجاری اسید سولفوریک از سولفات کلسیم بی آب تولید میشد. پس از مخلوط شدن با شیل یا مارن و برشته شدن، سولفات گاز تری اکسید گوگرد را آزاد میکند که یک پیش ماده در تولید اسید سولفوریک است. در این واکنش سیلیکات کلسیم نیز تولید میشود که یک فاز معدنی ضروری در تولید کلینکر سیمان است.
CaSO4 + SiO2 → CaSiO3 + SO3
کاربرد کربنات کلسیم در صنایع دارویی و لوازم بهداشتی و زیبایی
کربنات کلسیم در مواد آرایشی مورد استفاده قرار میگیرد. یعنی به عنوان رنگدانه افزودنی، جذب طولانی، جذب روغن در محصولات مات کننده و سفید کننده کاربرد دارد. نمکهای کربناته در محصولات آرایشی و مخصوص استحمام، پاک کنندههای مصرف شخصی، محصولات مخصوص به اصلاح، محصولات مراقبت از دهان، پوست و مو استفاده میشود. به علاوه، در مواد آرایشی ایده آل است. از آنجایی که پودر کربنات کلسیم رطوبت را جذب میکند، در پودر صورت استفاده میشود. در محافظت و مراقبت از پوست کاربرد دارد. باعث میشود تا مواد آرایشی ماندگار باشد.
کف کاذب سولفات کلسیم
شرکتها و سازمانهایی که دارای تجهیزات حساس هستند، پانلهای سولفات کلسیم را انتخاب میکنند. اتاقهای سرور با داشتن کف آنتی استاتیک بسیار طرفدار کف کاذب کلسیم سولفات هستند. اتاقهای برق و مخابرات میبایست در برابر الکتریسیته ساکن مقاوم باشند. اتاق عمل و پزشکی دارای شرایط حساسی میباشند. با استقرار این سیستم، دغدغهها مرتفع میشود. علاوه بر این، استفاده تزیینی و دکوراتیو نیز از این محصول امکان پذیر است.
کاربردهای دیگر سولفات کلسیم
- کاربرد در ساختمانی
- کاربرد در مواد تزئینی
- به عنوان ملات
- کاربرد در اسپلینتهای جراحی، مدلسازی، قالب و ریخته گری
- کودها و تهویه خاک، غلبه بر اثر خورنده قلیاییت
- به عنوان آلاباستر در مجسمه سازی
- منبع اصلی کلسیم رژیم غذایی
- برای افزودن سختی به آب
- افزودنی رنگ برای داروها و لوازم آرایشی
- کاربرد در دندانپزشکی
- کاربرد در پرورش قارچ
- برای حذف آلایندههای سرطانی مانند سرب یا آرسنیک از آب آلوده
- افزودنی به آب کدر، به ویژه برکهها، برای ته نشینی ذرات خاک و رس بدون آسیب رساندن به آبزیان
- در پخت و پز
- در سیمان پرتلند
- از ترکیبات رایج در تهیه ماست
- کاربرد در کرمهای پا، شامپو و سایر محصولات
- کاربرد در چرم سازی
- کاربرد در صنایع شیشهگری و چینیسازی
- کاربرد در کاغذسازی و شفافیت کاغذ
- کاربرد در ارتباطات و الکترونیک قدرت
- کاربرد سولفید کلسیم درخشان در فسفرها، رنگهای درخشان و لاکها
- ماده افزودنی روان کنندهها و عامل شناورسازی در استخراج سنگ
- برای تولید گوگرد آهک به عنوان حشره کش
- تولید CRT و صفحه نمایشگر تخت
ملاحظات و خطرات سولفات کلسیم
- آتشسوزی و احتراق: غیر قابل احتراق، در آتش سوزی دود و گازهای تحریک کننده یا سمی متصاعد میکند.
- در صورت آتش سوزی در محیط اطراف، از وسایل خاموش کننده مناسب استفاده کنید.
- استنشاق آن موجب سرفه میشود. برای پیشگیری از مکنده موضعی یا حفاظت تنفسی استفاده کنید. هوای تازه، استراحت مفید است.
- پوست را آبکشی کنید و سپس آن را با آب و صابون بشویید.
- چشمها را دچار قرمزی میکند. عینک ایمنی بپوشید. در ابتدا چشهایتان را برای چند دقیقه با مقدار زیادی آب بشویید و چنانچه ممکن است لنزهای تماسی را خارج کنید، سپس برای مراقبتهای پزشکی مراجعه کنید.
- هنگام کار با سولفات کلسیم، نخورید، نیاشامید و سیگار نکشید. دهان را آب بکشید.
- برای حفاظت فردی رسپیراتور (ماسک تنفسی) با فیلتر ذرهای مطابق با غلظت هوابرد ماده استفاده کنید.
- ماده ریخته شده را به داخل ظروف جارو کنید. در صورت لزوم، ابتدا برای جلوگیری از غبار، مرطوب کنید.
- بر اساس معیارهای سیستم هماهنگ جهانی طبقه بندی و برچسب گذاری مواد شیمیایی سازمان ملل (UN GHS) دارای طبقه بندی بیخطر بر اساس معیارهای GHS میباشد و حمل و نقل آن نیز در طبقه بندی سازمان ملل (UN) است.
- خطر استنشاق: هنگامی که پراکنده شود به سرعت میتواند به غلظت آزار دهنده ذرات معلق منجر گردد.
- اثرات مواجهه کوتاه مدت: ممکن است باعث تحریک مکانیکی شود.
- اثرات مواجهه طولانی مدت یا مکرر: ریهها ممکن است تحت تأثیر مواجهه طولانی مدت یا مکرر با ذرات غبار قرار گیرند.
.