Bachelor's Thesis

Phase transformations and thermal degradation of polymorphic calcium carbonate modifications

Final Thesis 3.27 MB

Author of thesis: Bc. Igor Smolka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jiří Másilko, Ph.D.

Reviewer: Ing. Vladislav Cába, Ph.D.

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the behaviour of individual polymorphic modifications of calcium carbonate during the heating process. This includes the phase transformations of vaterite and aragonite into calcite, followed by the decomposition of calcite into calcium oxide, which has not been described in academic literature yet. The first part of the work focuses on the synthesis of pure polymorphs, which includes calcite, aragonite, and vaterite. The pure phases were analysed by using XRD analysis, Raman spectroscopy, and the SEM method. Thermal stability was characterized using HT-XRD and TG-DTA methods in combination with EGA (MS and FTIR) analyses of released gases. In addition, the individual polymorphs were subjected to SEM analysis at selected temperatures during heating. The obtained images revealed pseudomorphs preserving the morphology of the original samples. Thermal analyses identified the recrystallization of aragonite and vaterite into calcite, followed by degradation into CaO. During the measurements, shifts in the temperature intervals (phase transitions and decomposition processes) were observed, with synthetic samples generally showing a shift toward lower temperatures. These results help answer the question of the thermal behaviour of metastable polymorphic modifications of CaCO3 and provide insight into the mechanism of transformation and decomposition processes.

Keywords:

Calcite; Aragonite; Vaterite; Thermal stability; Transformation; Polymorph crystallography

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student přednesl prezentaci na téma Fázové transformace a termická degradace polymorfních modifikací uhličitanu vápenatého. Nejdříve komisi seznámil s motivací a cíli své práce. Představil polymorfní modifikace uhličitanu vápenatého, postup syntéz čistých fází, metody charakterizace čistých fází. Po shrnutí dosažených výsledků odpovídal na otázkyy oponenta: 1) Ve své práci interpretujete přítomnost monohydrátu uhličitanu vápenatého a brucitu pouze na základě monitorování úniku vodní páry pomocí metody EGA. Detekce uvolněného plynu je však pouze nepřímým důkazem. Pomocí jakých doplňkových experimentálních metod byste mohl jednoznačně potvrdit přítomnost těchto minoritních fází ve Vašich vzorcích a odlišit strukturně vázanou vodu/OH skupiny od pouhé fyzikálně adsorbované vlhkosti? 2) V textu teoretické části uvádíte, že fázová přeměna aragonitu na kalcit je proces mírně endotermický, zatímco přeměna vateritu na kalcit je proces exotermický. Pokuste se vysvětlit tento jev. 3) Zmiňujete, že u syntetických vzorků docházelo obecně k posunu transformačních a rozkladných procesů směrem k nižším teplotám v porovnání se standardy/přírodními vzorky. Jaké jsou hlavní příčiny tohoto jevu? Komise pak položila otázku Může docházet k dekrepitaci? Na položené otázky student výborně odpověděl.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Fakulta chemická

Department

Institute of Materials Science

Study programme

Chemistry and Technology of Materials (BPCP_CHTM)

Composition of Committee

doc. Ing. František Šoukal, Ph.D. (předseda)
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc. (člen)
Ing. Lucie Keršnerová, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Másilko, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ladislav Omelka, DrSc. (člen)
prof. Ing. Petr Ptáček, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Lucy Vojtová, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jiří Másilko, Ph.D.

Předložená bakalářská práce Igora Smolky se zabývá detailním studiem fázových transformací a termické degradace polymorfních modifikací uhličitanu vápenatého. Vzhledem k tomu, že je toto téma stěžejní pro interpretaci karbonatačních produktů během sekvestrace oxidu uhličitého a v odborné literatuře dosud postrádá komplexnější popis, vnímám zadání jako vysoce aktuální a metodicky náročné.
Oceňuji, s jakou mírou samostatnosti a iniciativy student k řešení přistoupil. Rešeršní část zpracoval velmi zodpovědně s využitím širokého spektra adekvátních zdrojů. Jádrem, a zároveň i největší předností práce je však její praktická část. Ačkoliv je příprava dokonale čistých fází kalcitu, aragonitu a vateritu experimentálně značně obtížná a nevyzpytatelná, student tento úkol úspěšně zvládl. Z hlediska instrumentální analýzy prokázal pan Smolka schopnost analytického uvažování. Dokázal efektivně propojit termickou analýzu s detekcí uvolněných plynů (MS a FTIR), což vedlo k získání precizních dat mapujících rekrystalizaci metastabilních fází na stabilní kalcit a jeho navazující dekarbonataci na oxid vápenatý. Vynikající je rovněž komplementární porovnání těchto zjištění s daty z vysokoteplotní rentgenové difrakce, díky čemuž práce velmi věrohodně objasňuje reálné mechanismy těchto procesů.
Po formální i stylistické stránce práce splňuje veškeré požadavky, je velmi přehledná a psaná kultivovaným jazykem bez většího množství chyb. Během zpracování student fungoval proaktivně a pravidelně využíval konzultací s vedoucím. Výsledná práce je velmi kvalitní, a proto jí bez výhrad doporučuji k obhajobě s hodnocením A - výborně.
Evaluation criteria Grade
Quality of the Results A
Interpretation and Discussion of the Results B
Conclusions and Their Formulation A
Use of Consultations during the Preparation of the Thesis A
Overall Approach to the Assigned Tasks A
Fulfilment of the Assignment Requirements A
Study and Processing of the Literature A
Use of Knowledge Gained from the Literature A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Vladislav Cába, Ph.D.

Bakalářská práce studenta Igora Smolky se zabývá studiem fázových transformací a termické degradace polymorfních modifikací uhličitanu vápenatého. Kladně hodnotím obsah teoretické části, která detailně popisuje jednotlivé polymorfy uhličitanu vápenatého, faktory ovlivňující jejich vznik a samotné transformační děje. Dále pak byla tato část práce logicky rozdělena do přehledných kapitol. Student v dostatečném množství a správně využívá literární zdroje. Jediné, co by se dalo teoretické části vytknout, jsou občasná nadnesená tvrzení a drobné překlepy.

Experimentální část obsahuje popisy syntéz čistých polymorfních modifikací, charakterizaci surovin a pokročilé metody termické analýzy včetně sledování uvolněných plynů a vysokoteplotní rentgenové difrakce. Kladně hodnotím vysokou kvalitu zpracování výsledků jednotlivých analýz, které jsou přehledně zpracovány do grafických výstupů. V diskusi výsledků bych však uvítal hlubší fyzikálně-chemické zdůvodnění pozorovaných jevů. Po jazykové stránce práce vykazuje občasné drobné gramatické nepřesnosti a překlepy.

V závěrečné části student uceleně a jasně shrnuje postup a klíčové výsledky celé práce. Formální úroveň a celkový dojem z práce jsou na vynikající úrovni.

Student splnil zadání bakalářské práce v plném rozsahu. I přes zmíněné nedostatky v diskusi a jazykovém zpracování je práce na vysoké úrovni a doporučuji, aby bakalářská práce Igora Smolky byla přijata k obhajobě s celkovým hodnocením A (výborně).
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of the Assignment Requirements A
Logical Structure of the Thesis A
Quality of the Results A
Interpretation and Discussion of the Results B
Use of Literature and Citations A
Language Quality B
Overall Formal Quality of the Thesis A
Conclusions and Their Formulation A
Topics for thesis defence:
  1. Zmiňujete, že u syntetických vzorků docházelo obecně k posunu transformačních a rozkladných procesů směrem k nižším teplotám v porovnání se standardy/přírodními vzorky. Jaké jsou hlavní příčiny tohoto jevu?
  2. Ve své práci interpretujete přítomnost monohydrátu uhličitanu vápenatého a brucitu pouze na základě monitorování úniku vodní páry pomocí metody EGA. Detekce uvolněného plynu je však pouze nepřímým důkazem. Pomocí jakých doplňkových experimentálních metod byste mohl jednoznačně potvrdit přítomnost těchto minoritních fází ve Vašich vzorcích a odlišit strukturně vázanou vodu/OH skupiny od pouhé fyzikálně adsorbované vlhkosti?
  3. V textu teoretické části uvádíte, že fázová přeměna aragonitu na kalcit je proces mírně endotermický, zatímco přeměna vateritu na kalcit je proces exotermický. Pokuste se vysvětlit tento jev.
Points proposed by reviewer: 95

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová