Carbonation of Mg(OH)2 in a pressurised fluidised bed for CO2 sequestration
Fagerlund, Johan (2012-03-02)
Fagerlund, Johan
Åbo Akademi - Åbo Akademi University
02.03.2012
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201311267415
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201311267415
Kuvaus
I takt med den ekonomiska tillväxten har CO2-utsläppen till atmosfären ständigt ökat, och utan kraftiga åtgärder kommer de att fortsätta att öka i allt snabbare takt. Konsekvenserna av en påtagligt förhöjd atmosfärisk CO2-halt är fortfarande osäkra (men eventuellt katastrofala) och fenomenet går under namnet global uppvärmning eller klimatförändring. CCS från engelskans ”carbon dioxide capture and storage” framstår som ett alternativ för att bekämpa de ständigt ökande CO2-utsläppen. Ett av de mer intressanta, och för Finlands del ända CCS-alternativet, baserar sig på naturens egna sätt att begränsa atmosfärisk CO2, nämligen vittring.
Naturlig vittring, som förenklat innefattar nedbrytningen av sten/berg (även känd som erosion) och de därpå följande reaktionerna med CO2-mättat regnvatten. Slutresultatet är en utfällning av fasta mineraler som nu bundit CO2 i form av kalcium- och magnesiumkarbonat. Kalciumkarbonat är även bättre känt som kalksten, d.v.s. CO2 blir bundet i sten. Det gäller dock att snabba upp denna process, som i naturen är ytterst långsam, på ett ekonomiskt och miljömässigt hållbart sätt.
Hittills har ett antal metoder för att påskynda naturlig vittring, eller med andra ord öka CO2-upptagningsförmågan av olika mineraler föreslagits. De mera etablerade uttrycken (lånade från engelskan) talar om mineralkarbonatisering och CO2-mineralisering. Till skillnad från många andra CO2-mineraliseringsalternativ är det alternativ som behandlas i denna avhandling i hög grad baserat på möjligheten att utnyttja den värme som frigörs vid karbonatisering. I teorin är det möjligt att föreställa sig en mineraliseringsprocess som inte kräver extern energi, men tillsvidare har man dock inte lyckats uppnå detta mål.
Den process som presenteras i denna avhandling går ut på att man utvinner magnesium ur i naturen vanligt förekommande magnesiumrika mineraler, konverterar det till magnesiumhydroxid och därefter karbonatiserar det till magnesiumkarbonat. I rätta förhållanden kan magnesiumhydroxid reagera med CO2 mycket snabbt och i nuläget har processen potential att minska CO2-utsläppen från industri där spillvärme finns till förfogande (t.ex. cement- och stålindustrin). Fortsatt forskning är dock ett måste för att kunna påverka CO2-utsläppen i en globalt signifikant skala.
Viimeisten 150 vuoden aikana ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on noussut hälyttävän nopeasti ja ilman voimakkaita toimenpiteitä hiilidioksidipäästöt jatkavat kasvuaan. Seuraukset ilmakehän kohonneesta hiilidioksidipitoisuudesta ovat vielä epäselviä mutta mahdollisesti hyvinkin tuhoisia. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä ilmastonmuutos. Yksi vaihtoehto vähentää hiilidioksidi (CO2) päästöjä on hiilidioksidin talteenotto ja varastointi tai CCS (eng. carbon dioxide capture and storage). CCS kostuu useasta eri menetelmästä, mutta yksi ehkä mielenkiintoisimmasta ja Suomen osalta ainoasta CCS menetelmästä on mineraalikarbonointi, joka perustuu luonnon omaan ”puolustusmekanismiin” kohonneita CO2 pitoisuuksia vastaan, kemialliseen rapautumiseen.
Rapautuminen, eli kiven kuluminen/hajoaminen, tunnetaan myös nimellä eroosio, joka nopeuttaa kiven reagointia CO2 pitoisen sadeveden kanssa. Lopputuloksena saostuu kiinteätä ainetta, kalsium- ja magnesiumkarbonaattia, joka on sitonut itseensä hiilidioksidia. Kalsiumkarbonaatti tunnetaankin paremmin nimellä kalkkikivi eli näin ollen CO2 on sidottu lopullisesti kiveen. Tämä prosessi on kuitenkin luonnostaan äärimmäisen hidas, joten sen nopeuttaminen sekä taloudellisesti että ympäristöystävällisesti on haastavaa.
Tähän mennessä on esitelty useita erilaisia vaihtoehtoja mukauttamaan luonnollista rapautumista mutta toisin kuin moni muu hiilidioksidin mineraalisointimenetelmä, menetelmä jota tässä väitöskirjassa tutkitaan perustuu mahdollisuuteen käyttää karbonoinnissa vapautuvaa lämpöä hyödyksi. Kyseinen prosessi perustuu magnesiumhydroksidin karbonointiin. Magnesiumhydroksidi voidaan tuottaa luonnossa runsaasti esiintyvistä magnesiumpitoisista kivilajeista ja oikeissa olosuhteissa magnesiumhydroksidi reagoi hyvinkin nopeasti hiilidioksidin kanssa. Teoriassa on mahdollista toteuttaa mineraalikarbonointiprosessi joka toimii ilman erillistä energialähdettä. Toistaiseksi tämä tavoite on kuitenkin saavuttamatta. Siitä huolimatta tämä hiilidioksidin varastointi- ja talteenottomenetelmä tarjoaa mahdollisuuden CO2-päästöjen vähentämiseen teollisuudessa, jossa on käytettävissä hukkalämpöä (esim. sementti- ja terästeollisuus).
Naturlig vittring, som förenklat innefattar nedbrytningen av sten/berg (även känd som erosion) och de därpå följande reaktionerna med CO2-mättat regnvatten. Slutresultatet är en utfällning av fasta mineraler som nu bundit CO2 i form av kalcium- och magnesiumkarbonat. Kalciumkarbonat är även bättre känt som kalksten, d.v.s. CO2 blir bundet i sten. Det gäller dock att snabba upp denna process, som i naturen är ytterst långsam, på ett ekonomiskt och miljömässigt hållbart sätt.
Hittills har ett antal metoder för att påskynda naturlig vittring, eller med andra ord öka CO2-upptagningsförmågan av olika mineraler föreslagits. De mera etablerade uttrycken (lånade från engelskan) talar om mineralkarbonatisering och CO2-mineralisering. Till skillnad från många andra CO2-mineraliseringsalternativ är det alternativ som behandlas i denna avhandling i hög grad baserat på möjligheten att utnyttja den värme som frigörs vid karbonatisering. I teorin är det möjligt att föreställa sig en mineraliseringsprocess som inte kräver extern energi, men tillsvidare har man dock inte lyckats uppnå detta mål.
Den process som presenteras i denna avhandling går ut på att man utvinner magnesium ur i naturen vanligt förekommande magnesiumrika mineraler, konverterar det till magnesiumhydroxid och därefter karbonatiserar det till magnesiumkarbonat. I rätta förhållanden kan magnesiumhydroxid reagera med CO2 mycket snabbt och i nuläget har processen potential att minska CO2-utsläppen från industri där spillvärme finns till förfogande (t.ex. cement- och stålindustrin). Fortsatt forskning är dock ett måste för att kunna påverka CO2-utsläppen i en globalt signifikant skala.
Viimeisten 150 vuoden aikana ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on noussut hälyttävän nopeasti ja ilman voimakkaita toimenpiteitä hiilidioksidipäästöt jatkavat kasvuaan. Seuraukset ilmakehän kohonneesta hiilidioksidipitoisuudesta ovat vielä epäselviä mutta mahdollisesti hyvinkin tuhoisia. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä ilmastonmuutos. Yksi vaihtoehto vähentää hiilidioksidi (CO2) päästöjä on hiilidioksidin talteenotto ja varastointi tai CCS (eng. carbon dioxide capture and storage). CCS kostuu useasta eri menetelmästä, mutta yksi ehkä mielenkiintoisimmasta ja Suomen osalta ainoasta CCS menetelmästä on mineraalikarbonointi, joka perustuu luonnon omaan ”puolustusmekanismiin” kohonneita CO2 pitoisuuksia vastaan, kemialliseen rapautumiseen.
Rapautuminen, eli kiven kuluminen/hajoaminen, tunnetaan myös nimellä eroosio, joka nopeuttaa kiven reagointia CO2 pitoisen sadeveden kanssa. Lopputuloksena saostuu kiinteätä ainetta, kalsium- ja magnesiumkarbonaattia, joka on sitonut itseensä hiilidioksidia. Kalsiumkarbonaatti tunnetaankin paremmin nimellä kalkkikivi eli näin ollen CO2 on sidottu lopullisesti kiveen. Tämä prosessi on kuitenkin luonnostaan äärimmäisen hidas, joten sen nopeuttaminen sekä taloudellisesti että ympäristöystävällisesti on haastavaa.
Tähän mennessä on esitelty useita erilaisia vaihtoehtoja mukauttamaan luonnollista rapautumista mutta toisin kuin moni muu hiilidioksidin mineraalisointimenetelmä, menetelmä jota tässä väitöskirjassa tutkitaan perustuu mahdollisuuteen käyttää karbonoinnissa vapautuvaa lämpöä hyödyksi. Kyseinen prosessi perustuu magnesiumhydroksidin karbonointiin. Magnesiumhydroksidi voidaan tuottaa luonnossa runsaasti esiintyvistä magnesiumpitoisista kivilajeista ja oikeissa olosuhteissa magnesiumhydroksidi reagoi hyvinkin nopeasti hiilidioksidin kanssa. Teoriassa on mahdollista toteuttaa mineraalikarbonointiprosessi joka toimii ilman erillistä energialähdettä. Toistaiseksi tämä tavoite on kuitenkin saavuttamatta. Siitä huolimatta tämä hiilidioksidin varastointi- ja talteenottomenetelmä tarjoaa mahdollisuuden CO2-päästöjen vähentämiseen teollisuudessa, jossa on käytettävissä hukkalämpöä (esim. sementti- ja terästeollisuus).
Kokoelmat
- 215 Teknillinen kemia [127]