Carbon dioxide sequestration by mineral carbonation

Abstract

De stijging van de concentratie koolstofdioxide (CO2) in de atmosfeer, voornamelijk veroorzaakt door het gebruik van fossiele brandstoffen, heeft geleid tot zorgen omtrent het mogelijk optreden van klimaatverandering ten gevolge van een versterkt broeikaseffect. Een mogelijke technologie die kan bijdragen aan de reductie van de CO2 emissies is minerale CO2 vastlegging. Minerale CO2 vastlegging is gebaseerd op het industrieel nabootsen van natuurlijke verweringsprocessen waarin calcium of magnesium bevattende mineralen reageren met gasvormig CO2, waarna calcium of magnesium carbonaten gevormd worden: (Ca,Mg)SiO3 (s) + CO2 (g) ?? (Ca,Mg)CO3 (s) + SiO2 (s) Minerale CO2 vastlegging kent een aantal voordelen ten opzichte van b.v. geologische CO2 opslag. Ten eerste is het CO2 vastleggingspotentieel zeer groot aangezien geschikte grondstoffen wijdverspreid aanwezig zijn. Daarnaast wordt de CO2 op een permanente en inherent veilige wijze vastgelegd ten gevolge van de thermodynamische stabiliteit van het gevormde carbonaat. Tot slot is carbonatatie een exotherm proces, hetgeen kan leiden tot een verlaging van het energieverbruik en kosten van CO2 vastlegging. Verweringsprocessen zijn echter langzaam; een typische tijdschaal onder natuurlijke condities bedraagt duizenden tot miljoenen jaren. Voor industri??le implementatie dient een reductie van de reactietijd tot een ordegrootte van minuten behaald te worden door het ontwikkelen van alternatieve procesroutes. De doelstelling van dit proefschrift is het onderzoeken van de technische, energetische en economische haalbaarheid van reductie van CO2 emissie door middel van carbonatatie van mineralen. In Hoofdstuk 1 wordt een overzicht gegeven van de literatuur die gepubliceerd is op het gebied van minerale CO2 vastlegging. Van de mogelijk geschikte grondstoffen voor minerale CO2 vastlegging worden Ca-silicaten en meer in het bijzonder, de delfstof wollastoniet (CaSiO3) en de alkalische industri??le reststof staalslak, geselecteerd voor verder onderzoek. Alkalische reststoffen die veel calcium bevatten lijken een veelbelovende grondstof aangezien deze materialen goedkoop zijn en beschikbaar zijn nabij grote puntbronnen aan CO2. Bovendien reageren reststoffen over het algemeen relatief snel met CO2 vanwege hun (geo)chemische instabiliteit. 14 Diverse mogelijke procesroutes voor minerale CO2 vastlegging zijn gepubliceerd, meestal inclusief voorbehandeling van de vaste grondstof, b.v. deeltjesgrootte verkleining of thermische behandeling. De enige voorbehandeling die energetisch en potentieel economisch haalbaar lijkt, is conventioneel malen. De procesroutes kunnen in twee categorie??n worden verdeeld: (1) directe routes waarin de carbonatatie in ????n enkele stap plaatsvindt, hetzij in een gas-vast, hetzij in een gas-vast-vloeistof proces, en (2) indirecte routes waarin calcium of magnesium eerst wordt ge??xtraheerd uit de silicaatmatrix met behulp van bijvoorbeeld een zuur en vervolgens wordt gecarbonateerd in een tweede processtap. Als meest veelbelovende procesroute voor nader onderzoek wordt geselecteerd: de directe carbonatatie van calciumsilicaten in een waterige suspensie bij verhoogde CO2 druk en temperatuur. Als hoofdaandachtspunten voor onderzoek zijn ge??dentificeerd: de reactiesnelheden en -mechanismen van het carbonatatie proces, het bijbehorend energieverbruik en de CO2 vastleggingskosten. Een ander belangrijk aandachtspunt is de eindbestemming van de gecarbonateerde producten. In Hoofdstuk 2 worden de mechanismen van staalslak carbonatatie in waterige suspensie experimenteel onderzocht bij verhoogde CO2 spanning en temperatuur. Procesvariabelen zoals deeltjesgrootte, temperatuur en CO2 druk worden systematisch gevarieerd, waarbij hun invloed op de carbonatatie snelheid wordt onderzocht. De maximaal bereikte carbonatatiegraad is 74% van het calciumgehalte binnen 30 minuten bij 19 bar CO2 druk, 100 ??C en een deeltjesgrootte van <38 ?ѭ. De twee meest belangrijke factoren die de reactiesnelheid bepalen blijken de deeltjesgrootte (<2 mm tot <38 ?ѭ) en de reactietemperatuur (25-225 ??C). De carbonatatiereactie verloopt in twee stappen: (1) uitloging van calcium vanuit de staalslakdeeltjes naar de oplossing en (2) precipitatie van calciet op het oppervlak van deze deeltjes. De eerste stap en meer in het bijzonder de diffusie van calcium door de vaste matrix richting het oppervlak lijkt de snelheidsbepalende stap te zijn. Deze calciumdiffusie blijkt gehinderd te worden door de vorming van een laag calciumcarbonaat aan de buitenzijde van de staalslakdeeltjes, alsmede door een silicaatrijke zone die tijdens het proces verarmd raakt aan calcium. In Hoofdstuk 3 worden de carbonatatiemechanismen van staalslak in waterige suspensie nader bestudeerd samen met de milieuhygi??nische eigenschappen van (gecarbonateerde) staalslak. Hiertoe worden staalslakmonsters gecarbonateerd en worden uitloogexperimenten en geochemische modellering toegepast om oplosbaarheidcontrolerende pro