Differential scanning calorimetry (DSC) in researching the mineral carbonation processes of cement materials, in terms of CO₂ sequestration

• Autorzy: Lempart M. , Labus M.

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG2015.12.08

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC) w badaniach procesu mineralnej karbonatyzacji w materiałach cementowych w aspekcie sekwestracji CO₂

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Mineral carbonation is one of the mitigation strategies considered for reducing atmospheric CO₂ concentrations. The reuse of industrial solid wastes and residues (e.g. waste building material, including cement – which readily sequester CO₂ at ambient temperatures and pressures) is often taken into consideration. The main barrier to the use of mineral carbonation is the rather slow reaction progress. Based on a literature review it has been hypothesized, that knowledge of the reaction energy of formation and disintegration of carbonate phases is needed, and differential scanning calorimetry (DSC) measurement method could be used to obtain thermodynamic data of the mineral carbonation process.

PL

Mineralna karbonatyzacja jest jedną z wielu rozważanych metod, zmierzających do ograniczenia stężenia CO₂ w atmosferze. Odpowiednim do wykorzystania w tym procesie materiałem wydają się odpady przemysłowe (np. gruz budowlany, zawierający cement, który łatwo sekwestruje CO₂ w warunkach atmosferycznych). Główną barierą w stosowaniu na szerszą skalę tego rodzaju sekwestracji jest powolny postęp reakcji. Analiza literaturowa wskazuje na istniejące braki dotyczące energii reakcji tworzenia i rozpadu faz węglanowych (szczególnie – entalpii ΔH) w zależności od warunków procesu. W artykule wskazano na możliwość zastosowania skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC) do wyznaczenia danych termodynamicznych procesu karbonatyzacji materiału cementowego.

Słowa kluczowe

EN

mineral carbonation; cement; differential scanning calorimetry (DSC); enthalpy

PL

mineralna karbonatyzacja; cement; skaningowa kalorymetria różnicowa; entalpia

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 71, nr 12
• Strony: 998--1004
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys.

Twórcy

autor

Lempart M.

• Institute of Geological Sciences, Polish Academy of Sciences, Kraków

autor

Labus M.

• Faculty of Mining and geology, Institute of Applied Geology, Silesian University of Technology, Gliwice, ul. Akademicka 2, 44-100 Gliwice

Bibliografia

• [1] Balucan R. D., Dlugogorski B. Z., Kennedy E. M., Belova I. V., Murch G. E.: Energy cost of heat activating serpentinites for CO2 storage by mineralisation. International Journal of Greenhouse Gas Control 2013, vol. 17, pp. 225–239.
• [2] Bertos M. F., Simons S. J. R., Hills C. D., Carey P. J.: A review of accelerated carbonation technology in the treatment of cement-based materials and sequestration of CO2. Journal of Hazardous Materials 2004, B112, pp. 193–205.
• [3] Chang E. E., Wang Y. C., Pan S. Y., Chen Y. H., Chiang P. C.: CO2 capture by using blended hydraulic slag cement via a slurry reactor. Aerosol and Air Quality Research, 2012, vol. 12, pp. 1433–1443.
• [4] Chedella S. C., Berzins D. W.: A differential scanning calorimetry study of thesetting reaction of MTA. International Endodontic Journal, 2010, vol. 43, pp. 509–518.
• [5] Dubrawski J. V., Warne S. St. J.: Differential scanning calorimetry of minerals of the dolomite-ferroan-dolomite-ankerite series in flowing carbon dioxide. Mineralogical Magazine 1988, vol. 52, pp. 627–635.
• [6] Fernández Bertos M., Simons S. J. R., Hills C. D., Carey P. J.: A review of accelerated carbonation technology in the treatment of cement-based materials and sequestration of CO2. Journal of Hazardous Materials 2004, B112, pp. 193–205.
• [7] Fujii M., Yamasaki A., Kakizawa M., Yanagisawa Y.: Reduction of CO2 emission by treatment of waste concrete via an artificial process. Symposium – American Chemical Society, Division Fuel Chemistry 2001, vol. 46, no. 1, pp. 75–77.
• [8] Garcia S., Rosenbauer R. J., Palandri J., Maroto-Valer M. M.: Sequestration of non-pure carbon dioxide streams in iron oxyhydroxide-containing saline repositories. International Journal of Greenhouse Gas Control 2012, vol. 7, pp. 89–97.
• [9] Hemminger W., Höhne G.: Calorimetry – Fundamentals and Practice. Verlag Chemie, Weinheim 1984, pp. 275–279.
• [10] Huijgen W. J. J., Comans R. N. J.: Carbon dioxide sequestration by mineral carbonation. Petten. NL: Energy Research Centre of the Netherlands, 2003.
• [11] Huntzinger D. N., Gierke J. S., Kawatra S. K., Eisele T. C., Sutter L. L.: Carbon dioxide sequestration in cement kiln dust through mineral carbonation. Environmental Science & Technology 2009, vol. 43, pp. 1986–1992.
• [12] Huntzinger D. N., Gierke J. S., Sutter L. L., Kawatra S. K., Eisele T. C.: Mineral carbonation for carbon sequestration in cement kiln dust from waste piles. Journal of Hazardous Materials 2009, vol. 168, pp. 31–37.
• [13] Jia L., Anthony E. J., Lin W., Ruan Y., Gora D.: Carbonation of Magnesium Silicate Minerals: an Experimental Study. The Canadian Journal of Chemical Engineering 2004, vol. 82.
• [14] Junior A. N., Toledo Filho R. D.: CO2 sequestration by high initial strength Portland cement pastes. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 2013, vol. 113, pp. 1577–1584.
• [15] Klančnik G., Medved J., Mrvar P.: Differential thermal analysis (DTA) and differential scanning calorimetry (DSC) as a method of material investigation. Materials and Geoenvironment 2010, vol. 57, no. 1, pp. 127–142.
• [16] Krupka K. M., Cantrell K. J., McGrail B. P.: Thermodynamic Data for Geochemical Modeling of Carbonate Reactions Associated with CO2 Sequestration – Literature Review. Report of Pacific Northwest National Laboratory Richland, Washington 99352, 2010.
• [17] Labus M.: Proba oceny krajowych zasobow zloz serpentynitu dla celow sekwestracji CO2. Kwartalnik Górnictwo i Geologia 2010, vol. 5, no. 2, pp. 133–141.
• [18] Madrawski J., Ziemblinska K., Juszczak R., Zawal D., Olejnik J.: Tradycyjne i alternatywne metody oceny intensywnosci procesu sekwestracji ditlenku wegla przez kruszywo betonowe z recyklingu. Annual Set the Environmental Protection 2013, vol. 15, pp. 2526–2545.
• [19] Mazzotti M.: Mineral carbonation and industrial uses of CO2. IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage. Eds. Metz B., Davidson O., de Coninck H., Loos M., Meyer L., Cambridge Univ. Press, Cambridge 2005, pp. 319–338.
• [20] Montes-Hernandeza G., Renarda F., Geoffroya N., Charleta L., Pironon J.: Calcite precipitation from CO2–H2O–Ca(OH)2 slurry under high pressure of CO2. Journal of Crystal Growth 2007, vol. 308, pp. 228–236.
• [21] Navrotsky A., Dooley D., Reeder R., Brady P.: Calorimetric studies of the energetics of order-disorder in the system Mg1–xFexCa(CO3)2. American Mineralogist 1999, vol. 84, pp. 1622–1626.
• [22] Oelkers E. H., Gislason S. R., Matter J.: Mineral carbonation of CO2. Elements 2008, vol. 4, pp. 333–337.
• [23] Radha A. V., Fernandez-Martinez A., Huc Y., Jun Y-S., Waychunas G. A., Navrotsky A.: Energetic and structural studies of morphous Ca1-xMgxCO3×nH2O (0 ≤ x ≤1). Geochimica et Cosmochimica Acta 2011, vol. 90, pp. 83–95.
• [24] Radha A. V., Forbesa T. Z., Killianb C. E., Gilbert P. U. P. A., Navrotskya A.: Transformation and crystallization energetics of synthetic and biogenic amorphous calcium carbonate. PNAS 2010, vol. 107, pp. 38.
• [25] Regnault O., Lagneau V., Schneider H.: Experimental measurement of portlandite carbonation kinetics with supercritical CO2. Chemical Geology 2009, vol. 265, pp. 113–121.
• [26] Rendek E., Ducom G., Germain P.: Carbon dioxide sequestration in municipal solid waste incinerator (MSWI) bottom ash. Journal of Hazardous Materials 2006, B128, pp. 73–79.
• [27] Rozanski P., Pogorzalek J., Stecko J., Zdonek B., Niesler M., Spiewok W.: Badania nad procesem sekwestracji CO2 w zlozach mineralnych z wykorzystaniem zuzli metalurgicznych. Prace Instytutu Metalurgii Żelaza 2011, no. 1, pp. 55–59.
• [28] Sel O., Radha A. V., Dideriksen K., Navrotsky A.: Amorphous iron (II) carbonate: Crystallization energetics and comparison to other carbonate minerals related to CO2 sequestration. Geochimica et Cosmochimica Acta 2012, vol. 87, pp. 61–68.
• [29] Tarkowski R., Manecki M.: Badania oddzialywania CO2 na mezozoiczne skaly zbiornikowe w celu okreslenia ich przydatnosci do geologicznej sekwestracji dwutlenku wegla. Wydawnictwo Instytutu GSMiE PAN, Kraków 2009, pp. 1–114.
• [30] Uliasz-Bochenczyk A., Mazurkiewicz M., Mokrzycki E., Piotrowski Z.: Utylizacja ditlenku węgla poprzez mineralną karbonatyzację. Polityka Energetyczna 7. Zeszyt specjalny, Wydawnictwo Instytutu GSMiE PAN, Kraków 2004, pp. 541–554.
• [31] Uliasz-Bochenczyk A.: Mineralna sekwestracja CO2 przy zastosowaniu zawiesin wodnych wybranych popiolow lotnych ze spalania wegla brunatnego. Gospodarka Surowcami Mineralnymi 2011, t. 27, pp. 145–154.
• [32] White C. M., Strazisar B. R., Granite E. J., Hoffman J. S., Pennline H.: Separation and Capture of CO2 from Large Stationary Sources and Sequestration in Geological Formations-Coalbeds and Deep Saline Aquifers. Journal of the Air & Waste Management Association 2003, vol. 53, no. 6, pp. 645–715.