Die Kontrolle der Keimbildungsprozesse eines Materials kann die Qualität des Endprodukts und die Größenverteilung seiner Partikel verbessern. Da die Materialeigenschaften je nach Partikelgröße variieren können (vgl. Quanteneinschluss bei speziell designierten Mikrokristallgittern), ist das Verständnis und die Überwachung des Bildungsprozesses für die Hersteller von Vorteil. Der Einsatz eines automatisierten Titrators ermöglicht einen tieferen Einblick in einige dieser Vorgänge und trägt dazu bei, einen komplexen Prozess, der die Eigenschaften des Endprodukts beeinflusst, besser zu kontrollieren.

Die überwachte Kurve bezieht sich auf das LaMer-Modell, das für die Beschreibung der kinetisch kontrollierten Keimbildung (Nukleation von Nanopartikeln) aus der übersättigten Lösung der Vorstufe herangezogen wird. Es ist möglich, das Löslichkeitsprodukt, die Keimbildungsereignisse und das Kristallwachstum zu überwachen. Metrohm bietet die erforderlichen Sensoren und Dosierkomponenten an, um die idealen Bedingungen für die Untersuchung, Synthese und Prozesskontrolle zu ermitteln. Diese Application Note befasst sich mit der Bildung von Calciumcarbonatfällungen aus einer Lösung.

Je nach zu untersuchendem Material und Bedingungen werden entsprechende Sensoren und Titriermittel eingesetzt. Als Beispiel wurde die Bildung von Calciumcarbonat untersucht. Ein OMNIS-Titrator wurde in Kombination mit OMNIS-Dosiermodulen (Abbildung 1) und einem 902 Titrando verwendet. Eine Carbonatlösung wurde in einen Titrierbecher gegeben und der pH-Wert mit einer SET-pH-Titration auf 11 eingestellt. Nachdem der pH-Wert 11 erreicht war, wurde eine Calciumchloridlösung zugegeben und die freie Ca²⁺-Konzentration mit einer MET U-Titration gemessen. Gleichzeitig wurde eine Messung im Messmodus MEAS U mit der Optrode durchgeführt, die einen transmissionsproportionalen Spannungswert liefert, um den qualitativen Transmissionsgrad der Lösung zu überwachen. Der pH-Wert der Lösung wurde mit dem Befehl STAT pH, der über den 902 Titrando ausgeführt wurde, auf einem vorgegebenen Wert konstant gehalten. Zum Screening und zur Optimierung der Parameter kann ein Probenroboter eingesetzt werden, um den Probendurchsatz zu erhöhen. 

Die Beobachtung der Calciumcarbonatbildung ist in Abbildung 2 dargestellt. Zu Beginn wird das Potenzial ohne Calciumionen angezeigt. In definierten Abständen wird Calcium in die carbonathaltige Lösung zugegeben und dabei das Ca²⁺-Ionenpotential beobachtet. Die erhaltene U/t (Potential/Zeit)- bzw. U/V (Potential/Volumen) -Kurve wird dem LaMer-Diagramm mit seinen verschiedenen Stadien zugeordnet. Zu Beginn (Vorstufe) liegt eine ungesättigte Lösung vor, in der sich noch keine feste Phase gebildet hat (I). Das Potenzial steigt aufgrund der zugesetzten Kalziumionen an und nimmt weiter zu, bis es zur Keimbildung kommt (II) und sich CaCO₃ bildet. Die optische Durchlässigkeit (in orange dargestellt) nimmt drastisch ab, sobald sich genügend stabile Teilchen gebildet haben. Nach der Bildung stabiler Teilchen nimmt die Calciumionenkonzentration in der Lösung aufgrund des Teilchenwachstums ab (III) und pendelt sich auf einem Potenzialplateau ein. Das Potenzial auf dem Plateau entspricht einer bestimmten Calciumionenkonzentration. Diese Konzentration ist gleich dem Löslichkeitsprodukt von CaCO₃ bei den definierten Reaktionsbedingungen.

Beide Kurven, das Calciumpotenzial und das Transmissionspotenzial, können mit dem Befehl COLLECT zusammengeführt und in einem Diagramm dargestellt werden.