Mineral carbonation using natural materials – CO2 reduction method?
More details
Hide details
Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków
Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 2014;30(3):99–110
Mineral carbonation is one possible approach to reducing anthropogenic CO2 emissions. This method involves the use of a natural phenomenon of carbon dioxide causing CO2 to bond with natural or concrete materials. Since the appearance of the first publication on the mineral sequestration of CO2 (in 1990 in Nature), research has been conducted into making use of the carbon dioxide bond. The objective was to bind carbon dioxide into a solid form, a method rendering it environmentally safe. In addition, as a result of the reaction being exothermic, heat is released which can potentially be used. This process may be employed as the last step of CCS (Carbon Capture and Storage). Mineral carbonation can be implemented as a method both in situ and ex situ. Mineral sequestration is proposed and has been tested for both minerals and waste. In Poland, a particularly interesting option is the binding of CO2 through mineral carbonation of energy waste with a high content of CaO and limited economic use. Binding of CO2 has also been analyzed with use of the metallurgical slag and dust from cement kilns. Another option for mineral carbonation is the use of natural raw materials. To bind CO2 through mineral carbonation, minerals such as olivine, serpentine, and talc can be applied. This paper is a preliminary analysis presenting the possibility of using mineral raw materials to reduce carbon dioxide emissions. It also analyzes minerals occurring in Poland which can potentially be used to sequester CO2 in ex situ and in situ processes.
Mineralna karbonatyzacja przy zastosowaniu surowców naturalnych –metodą redukcji CO2?
mineralna sekwestracja CO2, CCS, surowce naturalne, proces ex situ, proces in situ, serpentynit, bazalt
Mineralna karbonatyzacja jest jedną z metod ograniczania antropogenicznej emisji CO2. Metoda ta polega na wykorzystaniu naturalnego zjawiska wiązania ditlenku węgla przez surowce naturalne lub beton. Od pojawienia się w 1990 r. w NATURE pierwszej publikacji dotyczącej mineralnej sekwestracji CO2, prowadzone są badania nad wykorzystaniem zjawiska wiązania ditlenku węgla. W wyniku procesu ditlenek węgla wiązany jest w stałej formie, co powoduje, że metoda ta jest bezpieczna ekologicznie. Dodatkowo w wyniku reakcji, która jest egzotermiczna, uwalnia się ciepło, które może być potencjalnie wykorzystane. Proces ten może być stosowany jako ostatni etap technologii CCS (Carbon Capture and Storage). Mineralna karbonatyzacja może być realizowana jako metoda in-situ i ex-situ. Mineralna sekwestracja proponowana jest i badana zarówno dla surowców mineralnych, jak i odpadów. W Polsce szczególnie interesującą opcją jest zastosowanie do wiązania CO2 na drodze mineralnej karbonatyzacji odpadów energetycznych o wysokiej zawartości CaO i ograniczonym wykorzystaniu gospodarczym. Do wiązania CO2 przeanalizowano oprócz odpadów energetycznych również żużle hutnicze i pyły z pieców cementowych. Drugą opcją prowadzenia mineralnej karbonatyzacji jest stosowanie surowców naturalnych. Do mineralnej sekwestracji CO2 mogą być potencjalnie stosowane minerały, takie jak: oliwin, serpentyn czy talk. W artykule przedstawiono możliwości zastosowania surowców mineralnych do obniżenia emisji ditlenku węgla. Przeanalizowano również surowce mineralne występujące w Polsce, które potencjalnie mogą być stosowane do sekwestracji CO2 w ramach procesu ex situ i in situ. Artykuł jest wstępną analizą możliwości wykorzystania tego typu surowców do wiązania CO2 w Polsce.
Bilans zasobów złóż kopalin w Polsce wg stanu na 31 XII 2013 r. Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa 2014.
Boschi i in. 2008 – Boschi, C., Dini, A., Dallai, L., Gianelli, G. i Ruggieri, G. 2008. Mineralogical sequestration of carbon dioxide: new insights from the Malentrata magnesite deposit (Tuscany, Italy). Proceedings of 2nd International Conference on Accelerated Carbonation for Environmental and Materials Engineering, 1–3 October, Roma, Italy, 2008, p. 55–62.
Dufaud i in. 2006 – Dufaud, F.,Martinez, I., Shilobreeva, S., Goffé, B. i Fiquet G. 2006.An experimental study on mineral storage of CO2 in basic and ultrabasic rocks. Proceedings Materials of 8th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies. 19–22 June, Trondheim, Norway.
Eloneva, S. 2008. Co-utilization of CO2 and steel making slags for precipitate calcium carbonate production, (Licentiate thesis). Helsinki University of Technology, Energy Engineering and Architecture, Department of Energy Technology, Energy Engineering and Environmental Protection Publications, Espoo.
Emitor 2013. Emisja zanieczyszczeń środowiska w elektrowniach i elektrociepłowniach zawodowych. Wyd. ARE S.A., Warszawa.
Fauth i in. 2000 – Fauth, J.D., Goldberg, P.M., Knoer, J.P., Soong, Y., O’Connor,W.K., Dahlin, D.C., Nilsen, D.N., Walters, R.P., Lackner, K.S., Ziock, H.J., Mckelvy, M.J. i Chen, Z.Y. 2000. Carbon dioxide storage as mineral carbonates. Division Fuel Chemistry Vol. 45, No 4, p. 708–712.
Gerdemann i in. 2004 – Gerdemann, S.J., Dahlin, D.C., O’Connor, W.K., Penner, L.R. i Rush, G.E. 2004. Ex-Situ and in-situ mineral carbonation as a means to sequester carbon dioxide. 21 Annual International Pittsburgh Coal Conference. 14–16 September Osaka.
Gislason i in. 2010 – Gislason, S.R., Wolff-Boenish, D., Stefansson, A., Oelkers, E.H., Gunnlaugsson, E., Sigurdardottir, H., Sigfusson, B., Broecker, W.S., Matter, J.M., Stute, M., Axelsson, G. i Fridriksson, T. 2010. Mineral sequestration of carbon dioxide in basalt: a pre-injection overview of the Carb Fix project. International Journal of Greenhouse Gas Control vol. 4, p. 537–545.
Goldberg i in. 2001 – Goldberg, P., Chen, Z.Y., O’Connor, W., Walters, R. i Ziock, H. 2001. CO2 mineral sequestration studies in US. First National Conference on Carbon Sequestration. p. 14–17 May 2001, Washington, USA.
Hänchen i in. 2007 – Hänchen,M., Krevor, S., Mazzotti, M. i Lackner, K. 2007. Validation of a population balance model for olivine dissolution. Chemical Engineering Science 62, p. 6412–6422.
Hänchen i in. 2006 – Hänchen, M., Prigiobbe, V., Storti, G. i Mazzotti, M. 2006. Mineral carbonation: Kinetic study of olivine dissolution and carbonate precipitation. 8th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, 19–22 June, Trondheim, Norway.
Haywood i in. 200 – Haywood, H.M., Eyre, J.M. i Scholes, H. 2001. Carbon dioxide sequestration as stable carbonate minerals – environmental barriers. Environmental Geology Vol. 41, No 1–2, p. 11–16.
Herzog, H. 2002. Carbon Sequestration via Mineral Carbonation: Overview and Assessment. www.sequestration.mit.edu.
Huijgen W.J.J. 2007. Carbon dioxide sequestration by mineral carbonation. feasibility of enhanced natural weathering as a CO2 emission reduction technology. Thesis, Energy Research Centre of The Netherlands, 232 p.
Huijgen, W.J.J. i Comans, R.N.J. 2003. Carbon dioxide sequestration by mineral carbonation. ECN. ECN-C-03-016. www.ecn.nl.
Huijgen i in. 2006 – Huijgen, W.J.J., Ruijg G.J., Witkamp G.J., Comans R.N.J. 2006. Aqueous Mineral Carbonation as a Possible CO2 Sequestration Process: Energetic Efficiency and Costs. 8th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, 19–22 June, Trondheim, Norway.
Kakizawa i in. 2001 – Kakizawa, M., Yamasaki, A. i Yanagisawa, Y. 2001. A new CO2 disposal process using artificial rock weathering of calcium silicate accelerated by acetic acid. Energy Vol. 26, p. 341–354.
Kojima i in. 1997 – Kojima, T., Nagamine, A., Ueno, N. i Uemiya, S. 1997. Absorption and fixation of carbon dioxide by rock weathering. Energy Conversion and Management Vol. 38, p. 461–466.
Lackner, K.S. 2002. Carbonate chemistry for sequestering fossil carbon. Annual Review Energy Environ. 27, p. 193–232.
Lackner i in. 200 – Lackner, K.S., Butt, D.P. i Wendt, C.H., 1997. Progress of binding CO2 in mineral substrates. Energy Conversion and Management Vol. 38, p. 259–264.
Lackner i in. 200 – Lackner, K.S., Wendt, C.H., Butt, D.P., Joyce, L.E. i Sharp, D.H., 1995. Carbon dioxide disposal in carbonate minerals. Energy Vol. 20, No 11, p. 1153–1170.
Li i in. 200 – Li, W., Li, W., Li, B., Bai, Z. 2009. Electrolysis and heat pretreatment methods to promote CO2 sequestration by mineral carbonation. Chemical Engineering Research and Design 87, p. 210–215.
Maciejewski, S. 1963. Uwagi o serpentynitach Gór Kiełczyńskich na Dolnym Śląsku. Quarterly Vol. 7, No 1, s. 1–16.
Maroto-Valer i in. 2003 – Maroto-Valer, M.M., Andersen, J.M., Zhang, Y. i Kuchta, M.E. 2003. Final Technical Progress Report for project entitled: “Integrated Carboantion: A novel conept to develop a CO2 sequestration module for Vision 21 Power Plants”. Grant DE-FG26-01NT41286, The Pennsylvania State University.
Maroto-Valer i in. 2005 – Maroto-Valer, M.M., Fauth, D.J. Kuchta, M.E., Zhang, Y. i Andersen, J.M. 2005. Activation of magnesium rich minerals as carbonation feedstock materials for CO2 sequestration. Fuel Processing Technology 86, p. 1627–1645.
Nevall i in. 1999 – Nevall, B., Clarke, S.J., Haywood, H.M., Scholes, H., Clarke, N.R., King, N.R. i Barley, R.W., 1999. CO2 storage as carbonate minerals. International Energy agency (IEA) Greenhouse Gas R&D Programme, CRE Group Ltd, Cheltenham, UK.
O’Connor i in. 2001 – O’Connor, W.K., Dahlin, D.C., Nilsen, D.N., Rush, G.E., Walters, R.P. i Turner, P.C. 2001. Carbon dioxide sequestration by direct mineral carbonation: results from recent studies and current status. Proceedings First National Conference on Carbon Sequestration. 14–17 May, Washington, USA.
O’Connor i in. 2005 – O’Connor, W.K., Dahlin, D.C., Rush, G.E., Gerdemann, S.J., Penner, L.R. i Nielsen, D.N. 2005. Aqueous mineral carbonation. Interim Report. DOE/ARC-TR-04-002.
Oelkers i in. 2008 – Oelkers, E.H., Gislason, S.R. i Matter, J. 2008. Mineral carbonation of CO2. Elements 4, 331–335.
Okamoto i in. 2006 – Okamoto, I., Mizuochi, Y., Ninomiya, A., Kato, T., Yajima, T. i Ohsumi, T. 2006. In-situ test on CO2 fixation by serpentinite rock mass in Japan. 8th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies. 19– 22 June, Trondheim, Norway, 2006.
Olajire, A.A. 2013. A review of mineral carbonation technology in sequestration of CO2. Journal of Petroleum Science and Engineering vol. 109, p. 364–392.
Park, A.A. i Fan, L.S. 2004. CO2 mineral sequestration: physically activated dissolution of serpentine and pH swing process. Chemical Engineering Science 59, p. 5241–5247.
Prigiobbe i in. 2008 – Prigiobbe, V., Baciocchi, R., Werner, M., Hänchen, M. i Mazzotti, M. 2008. CO2 storage by aqueous mineral carbonation using olivine. Proceedings of 2nd International Conference on Accelerated Carbonation for Environmental and Materials Engineering, 1– 3 October, Roma, Italy, p. 39–44.
Sałaciński, R. i Delura, K. 2008. Perspektywy wykorzystania serpentynitów z Nasławic jako surowca do produkcji kamieni okładzinowych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resorces Managament t. 24, s. 309–323.
Seifritz, W. 1990. CO2 disposal by means of silicates. Nature 345, 486.
Teir i in. 2007 – Teir, S., Revitzer, H., Eloneva, S., Fogelholm, C.J. i Zevenhoven, R. 2007. Dissolution of natural serpentinite in mineral and organic acids. International Journal of Mineral Processing 83, p. 36–46.
Uliasz-Bocheńczyk, A. 2009. Mineralna sekwestracja CO2 w wybranych odpadach. Wyd. IGSMiE PAN, Kraków.
Uliasz-Bocheńczyk, A. i Mokrzycki, E. 2013. Mineralna sekwestracja CO2 przy zastosowaniu odpadów energetycznych – próba oszacowania potencjału w Polsce. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Managament t. 29, s. 179–189.
Uliasz-Bocheńczyk, A. i Mokrzycki, E. 2011. Możliwości zastosowania odpadów energetycznych do mineralnej sekwestracji CO2. Rocznik Ochrona Środowiska t. 13, s. 1591–1604.
Uliasz-Misiak, B. 2009. Klasyfikacje pojemności i kryteria wyboru miejsc składowania CO2. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Managament t. 25, s. 97–108.
Uliasz-Misiak, B. 2011. Regional-Scale CO2 Storage Capacity Estimation in Mesozoic Aquifers of Poland. Oil & Gas Science and Technology – Revue d’IFP Energies nouvelles vol. 66, No. 1, p. 37–46.
Wu i in. 200 – Wu, J.C.S., Sheen, J.D., Chen, S.Y. i Fan, Y.C. 2001. Feasibility of CO2 fixation via artificial rock weathering. Industrial & Engineering Chemistry Research Vol. 40, p. 3902–3905.
Wendt i in. 200 – Wendt, C.H., Butt, D.P., Lackner, K.S. i Ziock, H.J., 1998. Thermodynamic calculations for acid decomposition of serpentine and olivine in MgCl2 melts I. Los Alamos National Laboratory, Technical Report No LA-UR-98-4528. lib-www.lanl.gov.
Yajima i in. 200 – Yajima, T., Okamoto, I., Ohsumi, T., Ninomiya, A., Yukihiro, M. i Takayuki, K. 2006. Experimental studies of CO2 fixation by serpentinite, 8th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, 19– 22 June, Trondheim, Nowary.
Zevenhoven i in. 2006 – Zevenhoven, R., Eloneva, S. i Teir, S., 2006. A study on MgO-based mineral carbonation kinetics using pressurized thermogravimetric analysis. 8th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, 19– 22 June, 2006, Trondheim, Norway.
Zevenhoven i in. 2008 – Zevenhoven, R., Sipilä, J. i Teir, S. 2008. Motivations for carbonating magnesium silicates using a gas-solid process route. Proceedings of 2nd International Conference on Accelerated Carbonation for Environmental and Materials Engineering, 1–3 October, Roma, Italy, p. 39–44.