ppi 201502ZU4659
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REVISTA TÉCNICAREVISTA TÉCNICA
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Fecha de Construcción:
1954-1958
Diseño: Arquitecto Carlos Raúl
Villanueva, con elementos
novedosos de adaptación
climática.
Policromía de la obra: Artista
Zuliano Victor Valera.
VOLUMEN ESPECIAL 2019 No.1
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, pp. 154-262
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, 168-174
Natural and accelerated mineral carbonation by petroleun
treatment
A. González1* , G. Curaqueo2 , N. Moreno3 , X. Querol3 , R. Navia4
1Departmento Procesos Industriales, Universidad Católica de Temuco P.O. Box 15D., Temuco, Chile.
2Departamento de Ciencias Agropecuarias y Acuícolas. Universidad Católica de Temuco. P.O.
Box 15D. Temuco, Chile.
3Departmento de Geociencias, IDAEA-CSIC, C/Jordi Girona, 18-26, E-08034 Barcelona, España
4Departmento de Ingeniería Química, Universidad de La Frontera, P.O. Box 54-D, Temuco, Chile
*Autor contacto: agonzalez@uct.cl
https://doi.org/10.22209/rt.ve2019a03
Recepción: 20/06/2019 | Aceptación: 03/11/2019| Publicación: 01/12/2019
2
technologies to reduce emissions is through mineral carbonation. Mineral carbonation by natural conditions is a slow
2 with and without physical pre-treatments such as stirring,
capturing up to 20.6%. By incorporating the stirring and sieving as physical pre-treatments, the CO2 capture is increased up
CO2.
Carbonatación mineral natural y acelerada mediante
La humanidad se encuentra en una lucha contra el tiempo respecto al aumento de las emisiones de CO2 y sus
consecuencias. Una de las tecnologías para reducir las emisiones es a través de la carbonatación mineral. Debido a que
su vez la velocidad del proceso. Materiales alcalinos como las cenizas volantes han sido exitosamente utilizados para este
proceso. En este trabajo, se trabajó con cenizas volantes de la combustión de coque de petróleo para la captura natural y
2 hasta un 18%, mostrando que la ceniza pudiera ser
un potencial material para la carbonatación mineral en medio acuosa.
captura de CO2; carbonatación mineral; cenizas volantes de coque de petróleo.
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, pp. 154-262
169Carbonatación mineral natural y acelerada mediante cenizas volantes
Introducción
Acorde al Panel Intergubernamental sobre el
Cambio Climático (IPCC), la crisis climática ha alcanzado
tal dimensión, que ya no basta intentar contrarrestarla
en sólo un sector productivo para ralentizar el
calentamiento global e intentar dejarlo dentro de unos
límites manejables [1]. Aproximadamente la mitad de las
emisiones antropogénicas de CO2 entre 1750 y 2011 se
han producido en los últimos 40 años, siendo el sector de
la energía responsable por el 24% de ellas [2]. A pesar de la
situación, el Consejo Mundial de la Energía, plantea que la
demanda de energía continuará creciendo a una velocidad
anual de 1,6% para el 2030 y por ende las emisiones de
CO2 también, lo que representa una seria amenaza para el
medio ambiente y el ser humano [3].
Dentro del paquete de medidas para mitigar las
emisiones de CO2, se encuentra la carbonatación mineral,
2 en una matriz alcalina
[3, 4]. Este proceso
silicatos), que contienen metales alcalinos y/o alcalino-
térreos. Sin embargo, este proceso es lento, por lo que la
convertirla en un método de almacenamiento viable para
el CO2 [4].
La investigación en el ámbito de la carbonatación mineral
proceso que puedan alcanzar velocidades de reacción
La carbonatación depende de características
depende de variables de operación como la temperatura,
presión, relación sólido-líquido, concentración de CO2 y
agitación del medio [4-12]. Varios investigadores reportan
que la reacción de carbonatación sigue un modelo cinético
de primer orden [7, 10-12]. Inicialmente, la reacción es
rápida siendo controlada por la cinética de la disolución
de la concentración del CO2. A medida que se producen los
del mineral, bloqueando los poros del material, limitando
2
de reacción [7]. A causa de ello la conversión de la reacción
sólo alcanza entre el 70 y el 80% [6].
la carbonataión mineral, se ha observado que residuos
provenientes del proceso de combustión presentan
altos contenidos de elementos alcalinos y alcalino-
térreos. No obstante, varios autores plantean que es
interesante estudiar el incremento de la disponibilidad
de los elementos mediante la implementación de pre-
molienda y sonicación [1, 4, 6].
Entre estos residuos, las cenizas volantes (CV)
Las CV actualmente se generan en el orden de alrededor
800 M ton/a [13-14]. Estos residuos generalmente son
dispuestos en vertederos ò rellenos sanitarios industriales,
provocando altos costos de almacenamiento temporal,
en esta temática desde el año 2000, que muestran a las
cenizas volantes provenientes de la combustión de carbón,
[4, 7-9]
la matriz energética proviene de la combustión de coque
de petróleo. Las CV provenientes de la combustión de
coque de petróleo han sido reportadas por González et al.
[15] Estas presentan un alto contenido de Ca (>40%) en
entre otros. Debido a ello, este trabajo tiene como objetivo
estudiar la carbonatación mineral tanto natural como
cenizas volantes de coque de petróleo.
Una muestra de cenizas de coque de petróleo
(CVC). La ceniza proviene de una planta de la Región del
Bìo Bío, Chile.
y detectar contenidos de Ca más altos. Este instrumento es
a su tamaño de partícula (Figura 1). En este estudio se
µm (0,4, 1, 2, 4, 9,
17 and 53 µm).
Equipo de impactador en cascada
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, pp. 154-262
170 González y col.
caracterizadas desde el punto de vista mineralógico
las muestras como procedimiento propuesto por Querol
et al. [16]
de barrido acoplada a un detector de energía dispersiva
.
Primeramente se montó un ensayo con el
objetivo de analizar la carbonatación mineral natural de
°C. El ensayo se
realizó bajo condiciones medio ambientales y relaciones
sólido/líquido de 25 y 50 (g/L) en triplicado, midiendo
la temperatura y humedad relativa. El contenido de C
analizador de carbono orgánico (TOC–VCPH Shimadzu)
acoplado a un módulo SSM-5000A. El porcentaje de CO2
bajo las mismas condiciones de carbonatación sin pre-
de agitación a 150 rpm. El % de CO2
determinado a través de la metodología propuesta en la
En Tabla 1 se muestra la composición química
de los elementos mayoritarios están en concordancia con
resultados previos [15]. Entre los óxidos mayoritarios
se encontraron CaO (44, 8%) and SO3 (29,7%). En las
µm, sugiriendo una alta
reactividad de CVC en el medio acuoso respecto al CO2.
-
nes, y distribución de µm.
Expresado los valores en %m/m.
Muestras CaO SO3Al2O3 Fe2O3MgO Na2O Distribución
(%) (%) (%) (%) (%) (%) tamaño de
partícula (%)
<0,4 µm66 20 nd 0,4 0,7 0,1 0,2
0,4-1,0 µm57 23 0,7 0,4 0,7 0,1 0,8
1,0-2,0 µm42 22 0,5 0,3 0,5 0,2 3,1
2,0-4,0 µm58 32 0,9 0,4 0,6 0,3 7,5
4,0-9,0 µm40 26 0,4 0,3 0,4 0,2 11,7
9,0-17 µm36 26 0,4 0,1 0,4 0,04 5,8
17-53 µm44 19 0,1 0,1 0,4 0,01 70,9
CVC 44,8 29,7 0,2 0,2 0,4 0,3 100
La composición química de CVC es claramente
de carbón en sistemas de parrilla, pero muestra algunas
similitudes con cenizas volantes de combustión de carbón
[17-18].
La caracterización mineralógica (Figura 2)
indicó que CVC está predominantemente compuesta por
4), portlandita
(Ca(OH)2), Cal (CaO). Un comportamiento similar se
anhidrita, por lo que no se espera una gran reactividad de
minoritarias calcita (CaCO3) y cuarzo (SiO2), lo que indica
(1)
Donde MM expresa la masa molecular del CO2
(MM(CO2) y del C (MM (C)) con unidades de g/mol.
.
Los experimentos se realizaron con las CVC secas
a 105 °C. Estas 2O libre de CO2 de
grado analítico, a distintas relaciones sólido/líquido (6, 8,
12, 25 y 50 g/L) para luego ser tratadas con CO2 puro a
distintas temperaturas, siendo los valores máximos de
de la ecuación 1.
.
tamizado (T), la molienda (M) y la interacción de ambos.
Los experimentos en batch se realizaron con CVC secas
a 105°C. El proceso de tamizado (T) se realizó acorde a
realizó con un molino (Retsch PM 100) con bolas de 2 cm
y de cerámica, con una duración de 30 min. En caso de la
sonicación (S) se aplicó una potencia de 300 W a la CVC
durante 30 min.
Los ensayos de carbonatación se realizaron
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, pp. 154-262
171Carbonatación mineral natural y acelerada mediante cenizas volantes
-
-
landita, C: calcita and A: anhidrita
por partículas irregulares, con un gran número
inquemados. Se detectan también partículas con bordes
presencia de Al y Si, lo que indicaría la posible presencia
una variada presencia de partículas.
El ensayo indicó que CVC presenta una baja
2
de emplear el proceso de carbonatación acelerado. La
captura del CO2
1 y 1,2% para la relación S/L=25 y entre 0,9 y 1,1%
similares. Sin embargo de este ensayo se logró visualizar
que la carbonatación mineral por medio de CVC ocurre
en la misma medida y con similar velocidad para ambas
relaciones S/L. No obstante, se debe recalcar que CVC
captura naturalmente hasta un 87% de lo que captura
Ca(OH)2.
Carbonatación mineral natural de CVC y una
muestra modelo (Ca(OH)2) para dos relaciones S/L
un cambio de coloración desde su típico color gris a un
predominio del color blanco, posiblemente atribuido a
realizada antes y después de la carbonatación en medio
acuosa indicó igualmente un cambio, siendo el pH inicial
alrededor de 12,5 y disminuyendo entre 10,6 y 9,6, luego
del tiempo
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, pp. 154-262
172 González y col.
En todos los ensayos realizados, en los primeros
10 minutos (Figura 5a), se captura más de un 10% de CO2
por parte de CVC, lo que indica que la mitad de la captura
de CO2 ocurre en este intervalo de tiempo.
La literatura plantea que a medida que se
aumenta la relación S/L, el porcentaje de captura de CO2
debe ir aumentando [5, 10-12]. Este planteamiento se
corrobora en los resultados, lo cual indica que la variable
S/L no puede analizarse separadamente de la temperatura.
A partir de los resultados, se plantea que la mejor
condición experimental para obtener la mayor captura de
CO2
90 °C, relación S/L de 12 g/L y tiempo de reacción de 2h,
atm (Figura 5b).
Acorde a los resultados del impactador, se
condiciones experimentales más adecuadas y obtenidas
Los resultados principales indicaron que sólo
rendimientos de la captura de CO2
6, los procesos de molienda y sonicación (S) no implicaron
cambios sustanciales en los % de captura de CO2, ni
con el tamizado, los valores de % de captura de CO2
mejoraron, pero posiblemente sólo por la involucración
del proceso de tamizado. Otro resultado importante es
que la agitación conllevó en todos los casos a una mejor
captura de CO2, observándose para CVC un incremento
del 17% en la captura de CO2. Este comportamiento es
contacto del CO2 con los iones de Ca.
Carbonatación mineral acelerada en medio
acuoso de CVC para 10 min (a) y 120 min (b) de reacción.
En general, se espera en un proceso de
carbonatación que durante un aumento de la temperatura
exista un incremento en la captura de CO2. Sin embargo
esto ocurre hasta cierta temperatura, ya que su incremento
del CO2
solvatación e hidratación del CO2. El rango de temperatura
analizada (30-90°C) indicó que la temperatura de 30°C
para las cuatro relaciones S/L presenta una velocidad
de carbonatación más lenta que para el resto de las
temperaturas analizadas, resultando en capturas de
CO2 más bajas a los 10 min de reacción (Figura 5a). No
obstante, los valores de captura de CO2 a los 90 min son
cercanos a los valores obtenidos a las otras temperaturas
(Figura 5b).
Carbonatación mineral acelerada en medio ac-
uoso de CVC para 2h, 90 °C-
(M) y sonicación (S).
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2019, No. 1, pp. 154-262
173Carbonatación mineral natural y acelerada mediante cenizas volantes
Los valores más altos de porcentaje de captura de CO2
agitación (T) y los procesos combinados de Molienda-
Sonicación-Tamizado (MST) valores, con 26,7 y 27%,
respectivamente. Este resultado representa un incremento
entre el 12 y 14%, al incorporar éstos pre-tratamiento
y la agitación como los tratamientos s para
incrementar el % de captura de CO2 en CVC.
La carbonatación mineral acelerada resultó ser
se incrementa la captura de CO2 hasta un 18%. Los
resultados de este trabajo permitieron visualizar que las
cenizas volantes de coque de petróleo son potencialmente
2, aportando a disminuir la
principal causa del cambio climático. Esta aplicación
uso proporciona a la ceniza valor agregado y permitiría
la reducción de los costos de su manejo, transporte y
disposición para las centrales termo-eléctricas.
Los autores agradecen a colegas pertenecientes
al instituto IDAEA-CSIC (España) y al Proyecto Fondecyt
de Postdoctorado 3120136 por permitir la ejecución de
este trabajo.
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