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Biasin, Alberto (2015) CO2 capture with solid sorbents: materials characterization and reaction kinetics. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The enormous anthropogenic emission of carbon dioxide is most likely one of the main reasons for the global warming and the climate change problems ([1], [2], [3]). Considering the continuing and progressively growing utilization of fossil fuels, mainly in the power generation sector where fossil fuel-based combustion and gasification power plants are predominant, the development and implementation of processes that avoid the associated CO2 emissions must be urgently identified. Carbon dioxide capture and storage, commonly termed CCS, represents a range of technologies oriented to affordably and efficiently sequester carbon dioxide from these sources and would be a possible mid-term solution to mitigate the emissions of CO2 into the atmosphere ([4]). However, the costs (especially in terms of penalties in the power plants efficiency) associated with the current industrially available CO2 capture techniques, such as amine-based scrubbing, are prohibitively high, thus making the development of new CO2 sorbents an highly important research challenge.
Among several strategies currently under investigation, calcium oxide (CaO), readily obtained through a calcination stage of naturally occurring calcium carbonate (CaCO3), has been proposed as an alternative CO2 solid sorbent that could significantly reduce the costs of carbon dioxide capture systems. The technique, widely discussed in the literature and recently reviewed by several authors ([5], [6], [7] and [8]), is based on the reversible reaction CaO (s) + CO2 (g) ↔ CaCO3 (s) and is applied through cyclic stages of carbonation and of calcination, offering a number of advantages. However, a few issues, including especially the decline of sorbent capacity when they are cycled through multiple CO2 capture-and release stages, still call into question its widespread deployment on industrial applications. The improvement of this technology and the development of new calcium-based solid sorbents are currently a matter of study and, despite the apparent simplicity of the chemistry involved, several aspects of the carbonation reaction and its kinetics are still not clearly understood.
The determination of the surface reaction kinetic parameters is one of the open disputes. Several contributions investigating the carbonation reaction and its kinetics have reported thus far activation energies varying in a range of about 20 ÷ 30 kJ/mol ([9], [10]) and 70 ÷ 80 kJ/mol ([11], [12], [13], [14]); a few authors otherwise asserted that the carbonation reaction has a zero-activation energy ([15], [16]). These values were estimated from CaO conversion versus time profiles obtained from CO2 absorption analysis carried out in a wide range of operating conditions in terms of carbonation temperatures and CO2 partial pressures and hence, the observed uncertainty in the mentioned activation energies is reasonably related to the quality of the experimental data. The accuracy of the experimental data is a questionable matter especially when the data are obtained through the thermo-gravimetric approach because, as well known, TGA experiments are typically affected by mass transfer limitations. The external diffusion is particularly important because it weighs on the gas (CO2) diffusion towards the solid sorbent (CaO) surface that is essential to support the carbon dioxide mole consumption due to the chemical reaction. Even though several strategies can be applied to reduce the external mass diffusion during the CaO carbonation studied in a TGA system (typically increasing the gas flow rates), evidences of a complete removal of such resistance cannot be easily provided. In fact, the typical circumstance that at high gas flow rates the conversion versus time curves can show no changes when increasing the gas flow rate does not imply that the external mass diffusion resistance is eliminated, but only that such resistance cannot be further reduced in the TGA geometry and operating conditions used. Indeed, the local velocities reached around/inside a TGA crucible (especially above the sorbent particles contained in a common sample holder) could be low even when the average velocity in the furnace is increased by increasing the gas flow rate, so that the local velocities around/inside a TGA crucible cannot be increased enough to compensate the very high consumption rate of CO2 due to the fast carbonation surface reaction. Therefore, alternative method has to be studied in order to measure CaO conversion versus time profile actually not limited by the external mass diffusion, and to check the validity of the thermo-gravimetric data currently available.
A second aspect concerns the structural properties characterizing the solid sorbent particles and how such properties can affect the CO2 absorption performances of CaO. Since, CaO-CO2 is a typical gas-solid reaction, it is most likely that specific surface and pore volume distribution can affect the reaction kinetics of CaO sorbent particles, as well as their absorption capacity. Several studies have been carried out to comprehend the carbonation reaction and kinetics in terms of these structural properties (porosity, specific surface, structural parameter, or the whole pore size distribution) through the development and application of random pore/grain models ([15], [17], [10], [13], [18], [19]). Most of these contributions related the transition from the fast regime to the slow product-layer diffusion controlled regime, characterizing the CaO carbonation, to the filling of small pores and/or to the development of a critical carbonate layer, and focused the attention on the impact of the pore size distribution on the critical CaCO3 product layer thickness, for which an unambiguous value or a direct measure has not been anyway proposed. Additionally, even though CaO and CaCO3 are crystalline species and their crystalline structures could reasonably affect both the carbonation reaction kinetics and mechanism, very few contributions have been focused thus far to study their impact on the carbonation reaction, insomuch as the influence of CaO/CaCO3 crystalline domain sizes on the carbonation reaction with CaO-based solid sorbents has never been investigated.

The research project summarized in this work of thesis has been focused on the investigation of the CaO carbonation reaction with the goal of clarifying these unresolved aspects.

Sorbent samples were first characterized by thermo-gravimetric analysis (TGA). CaO particles, directly produced in the TGA apparatus through stages of thermal decomposition in N2 atmosphere (temperature range from 650°C and 900°C), were tested to investigate their reactivity in the CO2 capture process, aiming at identifying the absorption specific rates, and confirming as common TGA analysis are reasonably affected by physical limitations, mainly mass transfer resistances. The TGA unit was fed with gas consisting of pure carbon dioxide or of a N2/CO2 mixture so that different CO2 partial pressures were used within a range of 0.05 and 1 bar while carbonation temperatures were varied from 450°C up to 650°C.
Some CaO sorbent samples were also preliminary prepared through a stage of calcination realized in a separate muffle furnace. Different operating conditions in terms of calcination temperatures (especially 900°C) and residence times at high temperature (from few minutes up to some hours) were used in order to produce CaO sorbent samples with different structural properties, mainly in terms of porosity and specific surface area. In fact, these factors, which are closely related to the sorbent modifications due to high temperature treatments, reasonably affect the carbonation reaction. Specific surface area measurements by N2 adsorption were performed to complete the characterization of the samples by means of BET analysis. The samples were afterwards tested during CO2 absorption processes carried out in the TGA unit under a gas flow of pure carbon dioxide (total pressure of 1 bar). Based on CaO conversions and the corresponding reaction rates measured, a simple reaction mechanism was applied to determine the kinetic parameters. An activation energy of about 45 kJ/mol was estimated, but it was reasonably associated to apparent kinetic rates. Moreover, the relationship between variation of the specific surface and porosity due to sintering and their effect on the carbonation reaction were not clearly quantify because of the uncertainty of the experimental data obtained, caused by the mass-transfer limitations that affected the TGA experiments.
The X-ray powder diffraction technique was therefore applied since it can provide an alternative method to the thermo-gravimetric analysis for studying the CaO-CO2 reaction. X-ray diffraction experiments were carried out (in collaboration with the Department of Geosciences at the University of Padova) to determine the structural changes of the sorbent samples (namely phase evolution and crystallite size modifications) as a function of temperature and CO2 partial pressure. Several tests were performed using a high temperature reaction chamber, with a controlled gas inlet composition, both during the thermal decomposition (calcination/regeneration) and during the absorption processes. Calcination experiments, carried out in a N2 atmosphere (total pressure = 1 bar) and a temperature range varying between 650 and 950°C, allowed to observe that, after the complete decomposition of calcium carbonate precursor, the average crystallite size of CaO domains formed (approximately of 40 nm) considerably changes, when kept for long residence times at high temperatures. We also verified that even a low concentration of CO2 in the calcination atmosphere promotes CaO crystal size growth during the CaCO3 thermal decomposition and significantly increases the size of the nascent CaO crystalline domains. After the preparation stage of thermal decomposition, carbonation experiments using fresh calcines directly produced within the reaction chamber were performed. It was observed that differences in the crystallite size of the CaO samples apparently influence the solid sorbent reactivity in the following CO2 capture process. At the same carbonation isotherm (temperatures applied were in the range of 400-650°C), with a CO2 partial pressure of 1 bar, samples with a larger CaO crystal size (at the beginning of carbonation) showed a lower overall carbon dioxide absorption capacity, suggesting that the carbonation reaction (kinetics) could be affected by initial CaO sorbent particle crystallite size. Unfortunately, the low time resolution provided by the available standard laboratory instrumentation was not sufficient to obtain detailed information about the transformations occurring in the sample particles, especially during the initial very fast stage of the carbonation reaction, whereas the surface chemical reaction should reasonably occur with negligible effects of the product layer diffusion.
Therefore, in-situ synchrotron radiation X-ray powder diffraction (SR-XRPD), performed at the Advanced Photon Source (APS) facilities of the Argonne National Laboratory, was finally applied to investigate the CaO carbonation reaction more in detail. A set of CO2 absorption experiments were conducted in a high temperature reaction capillary with a controlled atmosphere (CO2 partial pressure of 1 bar), in the temperature range between 450°C and 750°C using CaO based sorbents obtained by calcination of commercial calcium carbonate. The evolution of the crystalline phases during CO2 uptake by the CaO solid sorbents was monitored for a carbonation time of 20 min as a function of the carbonation temperature and of the calcination conditions. The Rietveld refinement method was applied to estimate the calcium oxide conversion during the reaction progress and the average size of the initial (at the beginning of carbonation) calcium oxide crystallites. The measured average initial carbonation rate (in terms of conversion time derivative) of 0.280 s-1 (± 13.2% standard deviation) is significantly higher than the values obtained by thermo-gravimetric analysis and reported thus far in the scientific literature. Additionally, a dependence of the conversion versus time curves on the initial calcium oxide crystallite size was observed and a linear relationship between the initial CaO crystallite size and the calcium oxide final conversion was identified. The evolution of the CaCO3 crystalline phase during the CaO carbonation was also investigated by means of the same technique. Maximum sizes of the calcium carbonate crystalline domains were observed in the CaCO3 crystallite size versus time curves, (specifically during the first rapid stage of the carbonation) and were identified as the average values of the critical CaCO3 product layer thickness. A relationship between this parameter and the corresponding calcium oxide conversion (at which the transition to the second slow reaction stage occurs), as well as a dependence of the carbonate product layer thickness with the initial CaO particle porosity, were found. Finally, CaCO3 critical product layer thicknesses were used to estimate the initial specific surface areas of the CaO sorbent particles afterwards utilized to calculate the kinetic parameters of the intrinsic surface carbonation reaction. A reaction rate constant of 1.89 × 10-3 mol/m2 s, with zero-activation energy, has been obtained.

Abstract (italiano)

Negli ultimi anni, l’interesse riguardo al problema del riscaldamento globale è cresciuto notevolmente. La comunità scientifica è concorde sul fatto che i cambiamenti climatici osservati nel mondo sono correlati alle emissioni di gas serra, in modo particolare quelle di biossido di carbonio, che sono incrementate rapidamente in seguito allo sviluppo tecnologico ed industriale ([1], [2], [3]). Il settore principalmente coinvolto nelle emissioni di CO2 è l’industria per la generazione di energia, dove gli impianti di combustione e gassificazione che sfruttano combustibili fossili sono predominanti e contano ancora oggi per più di un terzo di tutte le emissioni antropogeniche di CO2. Se si considera la continua e progressiva crescita nell’utilizzo di questi combustibili in tale settore, lo sviluppo e l’implementazione di processi caratterizzati da ridotte (se non assenti) emissioni di CO2 sono questioni che devono essere urgentemente affrontate.
La cattura e lo stoccaggio dell’anidride carbonica, comunemente denominato CCS (dall’inglese Carbon dioxide Capture and Storage), rappresenta l’insieme delle tecnologie orientate appunto a separare l’anidride carbonica dalle correnti gassose industriali (oltre che al trasporto e allo stoccaggio della stessa in formazioni geologiche o nel fondo degli oceani in modo tale da isolarla dall’atmosfera a lungo termine) in modo efficiente ed economicamente conveniente, e rappresenta una possibile soluzione a breve termine per mitigare le emissioni di CO2 nell’atmosfera ([1], [4]). Tuttavia, i costi associati alle tecniche di cattura della CO2 ad oggi disponibili (come ad esempio i processi basati su lavaggi con solventi amminici) sono proibitivamente alti (soprattutto in termini di penalizzazioni nell’efficienza energetica degli impianti di produzione di energia), e rendono quindi lo sviluppo di nuovi sorbenti per la cattura del biossido di carbonio una sfida molto importante nel panorama della ricerca scientifica.
Tra le diverse strategie attualmente investigate, l’ossido di calcio (CaO), facilmente ottenuto attraverso trattamenti termici di calcinazione del carbonato di calcio ampiamente disponibile e diffuso in natura, si presta come un sorbente solido particolarmente interessante/promettente che potrebbe ridurre in modo significativo i costi associati ai processi di cattura dell’anidride carbonica. La tecnica della cattura della CO2 attraverso sorbenti solidi a base di ossido di calcio è ampiamente discussa in letteratura e recentemente è stata riassunta da alcuni autori ([5], [6], [7], [8]). Essa fa riferimento alla reazione reversibile CaO (s) + CO2 (g) ↔ CaCO3 (s) e dovrebbe essere applicata attraverso cicli di calcinazione e carbonatazione, offrendo diversi vantaggi. Tuttavia, alcune problematiche, tra cui il progressivo declino nella capacità di cattura che tali sorbenti evidenziano all’aumentare del numero di cicli di assorbimento/desorbimento, ne mettono ancora in discussione l’utilizzo diffuso in applicazioni di scala industriale.
La ricerca di miglioramenti e lo sviluppo di nuovi sorbenti solidi sono quindi una materia di studio attuale e, nonostante l’apparente semplicità della reazione chimica coinvolta, diversi aspetti riguardanti la carbonatazione del CaO non sono stati definitivamente chiariti.
La determinazione dei parametri cinetici intrinseci della reazione di carbonatazione è una delle questioni aperte. La qualità della stima della costante cinetica della reazione superficiale (necessaria per progettare i reattori per la carbonatazione) dipende dall’accuratezza dei dati sperimentali (nello specifico delle curve di conversione vs. tempo) i quali, in tutti i contributi disponibili in letteratura, sono ottenuti (al meglio delle conoscenze dell’autore) tramite un approccio termo-gravimetrico ([15], [11], [12], [9], [10], o [21]). Tuttavia, è noto che misure TGA possono essere affette da limitazioni legate a resistenze al mass transfer, specialmente per quanto riguarda la diffusione esterna, per cui è ragionevolmente discutibile se i risultati finora riportati in letteratura siano realmente espressione della cinetica intrinseca oppure, diversamente, riproducano soltanto una cinetica di assorbimento della CO2 apparente.
Un altro aspetto rilevante è la dipendenza della reazione di carbonatazione dalle proprietà strutturali del sorbente. Finora, diverse ricerche hanno focalizzato l’attenzione sull’impatto della porosità e della superficie specifica, o ancora sull’impatto della distribuzione della dimensione dei pori rispetto la reazione di carbonatazione e alla sua cinetica ([15], [17], [10], [13], [18], o [19]). Anche se la superficie specifica e la distribuzione della dimensione dei pori sono parametri probabilmente rilevanti nella determinazione della cinetica di una tipica reazione gas-solido come la carbonatazione del CaO, l’impatto delle dimensioni dei domini cristallini che formano le fasi di ossido di calcio e di carbonato sulle prestazioni dei sorbenti sono informazioni non ancora disponibili in letteratura quando ci si riferisce alla reazione di carbonatazione.
Il progetto di ricerca riassunto in questo lavoro di tesi è stato quindi focalizzato sullo studio della reazione di carbonatazione del CaO e sulla caratterizzazione dei sorbenti a base di ossido di calcio, con l’obiettivo di chiarire questi aspetti emersi dalla letteratura, ancora poco risolti.

Dopo avere affrontato il problema del surriscaldamento globale e aver riassunto le inequivocabili evidenze scientifiche riguardanti i cambiamenti climatici già discusse in dettaglio nei report dell’Intergovernmental Panel of Climate Change (IPCC) ([1], [2], [3] ), nel Capitolo 1 sono delineate le cause di tali cambiamenti ed la CCS viene presentata come una delle possibili strategie di mitigazione delle emissioni di CO2, focalizzando l’attenzione sullo stato dell’arte in merito alle tecnologie CCS attualmente investigate.
Successivamente, viene presentata la tecnologia della cattura dell’anidride carbonica realizzata attraverso l’utilizzo di sorbenti solidi a base di ossido di calcio. Nel Capitolo 2 vengono quindi discussi gli aspetti fondamentali riguardanti la reazione di carbonatazione del CaO, descrivendo la sua termodinamica e il tipico comportamento caratterizzato da due differenti fasi di reazione ovvero, una parte iniziale veloce, controllata nei primi istanti dalla reazione chimica alla superficie, seguita da una seconda fase più lenta, controllata dalla diffusione della CO2 attraverso lo strato di carbonato di calcio prodotto. Altresì, nel capitolo sono riportate considerazioni sugli aspetti irrisolti riguardanti la reazione di carbonatazione riscontrati in letteratura, come la caratterizzazione/misura del critical product layer thickness, il quale determina la transizione tra i due regimi di reazione menzionati, ed il problema della stima dei parametri cinetici intrinseci della carbonatazione. Infine, sono proposti i principali risultati dell’investigazione preliminare condotta attraverso l’applicazione dell’approccio termo-gravimetrico.
Campioni di sorbente (i.e. particelle di ossido di calcio) direttamente prodotti in TGA tramite decomposizioni termiche di CaCO3 commerciale, in atmosfera di N2 (range di temperatura tra i 650°C e i 900°C), sono state testate per analizzare la loro reattività nella fase di cattura del biossido di carbonio, con l’obiettivo di identificare le velocità di assorbimento specifiche e confermare come i tradizionali esperimenti in TGA siano affetti da limitazioni fisiche, specialmente resistenze legate a fenomeni di mass transfer. Questi esperimenti sono stati condotti alimentando un classico strumento TGA sia con CO2 pura, sia con miscele N2/CO2 in modo da variare la pressione parziale di anidride carbonica in un intervallo compreso tra 0.05 bar e 1 bar, e imponendo isoterme a diverse temperature di carbonatazione, fissate tra i 450°C e i 650°C.
Alcuni campioni di sorbente sono stati anche preparati attraverso fasi di calcinazione realizzate separatamente in un forno a muffola. Diverse condizioni operative sono state utilizzate in termini di temperature di calcinazione (principalmente 900°C) e tempi di residenza a tali temperature (da pochi secondi a qualche ora), in modo da produrre particelle di ossido di calcio caratterizzate da differenti proprietà strutturali, specialmente in termini di porosità e superficie specifica. Infatti, tali fattori, che sono strettamente legati alle modificazioni strutturali alle quali questi sorbenti sono soggetti per effetto dei trattamenti termici ad alta temperatura, ragionevolmente influenzano la reazione di carbonatazione. Per completare la caratterizzazione dei sorbenti così prodotti si sono eseguite dapprima misure di superficie specifica attraverso adsorbimento di N2 e analisi BET, e in seguito se n’è testata la capacità di assorbimento di CO2 in TGA con flussi di anidride carbonica (pressione totale di 1 bar). Sulla base dei profili di conversione e delle corrispondenti velocità di reazione, un semplice modello cinetico ([9]) è stato utilizzato per determinare i parametri della cinetica intrinseca. Anche se ragionevolmente associabile ad una cinetica di reazione apparente, un’energia di attivazione di circa 45 kJ/mol è stata stimata.
A seguito dell’incertezza sui dati sperimentali ottenuti e connessi a limitazioni legate a fenomeni di mass transfer, la tecnica di diffrazione ai raggi X su polveri è stata quindi applicata come metodo alternativo all’analisi termo-gravimetrica nello studio della reazione tra CaO e CO2.
In particolare, nel Capitolo 3 è riportata una piccola descrizione dei principali fondamenti teorici alla base di questa tecnica; successivamente sono discussi i principali risultati raccolti durante una fase di studio realizzata in collaborazione con il dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova. Esperimenti di diffrazione in–situ sono stati condotti per determinare le variazioni strutturali che interessano i sorbenti solidi (in modo particolare, l’evoluzione nel tempo delle fasi cristalline (i.e. composizione) e le variazioni nelle dimensioni dei domini cristallini che caratterizzano le fasi stesse) in funzione della temperatura e della pressione parziale di anidride carbonica. Diversi esperimenti sono stati eseguiti usando una camera di reazione, applicata ad un diffrattometro da laboratorio, che ha permesso di controllare la composizione gassosa del sistema sia durante la fase di decomposizione/rigenerazione, sia durante il processo di assorbimento, nonché la temperatura del materiale testato. Esperimenti di calcinazione sono stati condotti anche qui in atmosfera di N2 (pressione totale di 1 bar) e in un intervallo di temperature tra i 650°C e i 950°C, ed hanno permesso di osservare che dopo la decomposizione completa del carbonato di calcio usato come precursore le dimensioni medie dei domini cristallini di CaO di neo formazione (approssimativamente nell’ordine dei 40 nm) cambiano considerevolmente quando il materiale è mantenuto ad alte temperature per lunghi tempi di permanenza. Inoltre, si è verificato che anche piccole concentrazioni di CO2 nell’atmosfera nella quale è condotta la fase di decomposizione favoriscono l’accrescimento dei cristalliti di ossido di calcio, tanto che le dimensioni dei nascenti domini cristallini di CaO risultano notevolmente aumentate rispetto al caso di calcinazioni condotte in atmosfera inerte. Prove di carbonatazione hanno invece evidenziato che differenze nella dimensione iniziale (ovvero, all’inizio della carbonatazione) dei domini cristallini di ossido di calcio apparentemente sembrano influenzare la reattività del campione di sorbente solido durante il processo di assorbimento della CO2: a parità d’isoterma di carbonatazione (temperature tra i 450°C e i 650°C), con pressioni parziali di CO2 di 1 bar, campioni costituiti da cristalliti più grandi hanno infatti mostrato una capacità di assorbimento della CO2 più bassa raggiungendo, al termine di esperimenti di carbonatazione nell’ordine dei 120 min, conversioni inferiori. Altresì, questa evidenza rimane confermata anche all’aumentare del numero di cicli di calcinazione/carbonatazione.
Purtroppo, la bassa risoluzione temporale caratterizzante la strumentazione di laboratorio disponibile non è stata sufficiente per ottenere informazioni dettagliate sulle trasformazioni che avvengono nella struttura cristallina delle particelle di sorbente, soprattutto durante la fase iniziale (molto veloce) della carbonatazione laddove la reazione alla superficie (i.e. cinetica intrinseca) ragionevolmente ha luogo con trascurabili effetti di diffusione attraverso il product layer di carbonato.
Per approfondire la caratterizzazione della carbonatazione del CaO attraverso la diffrazione dei raggi X si è pertanto scelto di incrementare le potenzialità della tecnica con l’utilizzo della radiazione da sincrotrone. Nel Capitolo 4 sono presentati i risultati sulla caratterizzazione della reazione tra CaO e CO2 ottenuti da esperimenti di diffrazione ai raggi X in-situ condotti in collaborazione con le strutture dell’Advanced Photon Source (APS) presso l’Argonne National Laboratory (Argonnne, IL, U.S.A). Un set di esperimenti di cattura della CO2 è stato completato utilizzando un sistema con capillare riscaldato appositamente sviluppato ([20]) per condurre prove di diffrazione da polveri controllando l’atmosfera di reazione (pressioni parziali di CO2 di 1 bar) e la temperatura (tra i 450°C e i 750°C), per seguire l’evoluzione delle fasi cristalline di CaO e CaCO3 durante il processo di carbonatazione di particelle di ossido di calcio prodotte per decomposizione termica di carbonato di calcio commerciale. Il metodo di raffinamento Rietveld è stato poi applicato sia per quantificare la conversione dell’ossido di calcio durante il procedere della reazione, sia per stimare la dimensione media dei domini cristallini di CaO all’inizio della carbonatazione. Dai profili di conversione è stata valutata una velocità media iniziale della carbonatazione (espressa in termini di derivata della conversione rispetto al tempo) pari a 0.280 s-1 (deviazione standard di ± 13.2%) che è risultata significativamente più alta rispetto ai valori ottenuti da analisi termo-gravimetriche e riportati finora in letteratura ([9], [15] o [12]). E’ stata inoltre osservata una dipendenza dei profili di conversione rispetto al tempo dalla dimensione iniziale dei cristalliti di ossido di calcio, come pure è stata identificata una relazione lineare tra questa grandezza e la conversione finale. Analogamente, anche l’evoluzione del carbonato di calcio durante la fase di assorbimento della CO2 è stata monitorata: dimensioni massime dei domini cristallini di CaCO3 sono state osservate nei profili del crystallite size del carbonato in funzione del tempo (in particolare durante la prima rapida fase della reazione), e sono state identificate come i valori medi del critical product layer thickness. Una relazione tra questo parametro e le corrispondenti conversioni dell’ossido di calcio, alle quali si può ragionevolmente associare la transizione alla seconda fase caratteristica della carbonatazione (i.e. regime controllato dalla diffusione della CO2 attraverso lo strato di prodotto), è stata individuata, come anche tra il critical product layer thickness e la porosità iniziale delle particelle di sorbente. Infine, i valori individuati sono stati usati per stimare la superficie specifica iniziale delle particelle di CaO utilizzate negli esperimenti di carbonatazione; tali superfici sono quindi state usate nella stima dei parametri cinetici intrinseci della reazione di carbonatazione, ottenendo una costante di reazione pari a circa 1.89 × 10-3 mol/m2 s, con energia di attivazione nulla.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Strumendo, Matteo
Data di deposito della tesi:02 Febbraio 2015
Anno di Pubblicazione:02 Febbraio 2015
Parole chiave (italiano / inglese):CO2 capture, carbonation kinetics, crystallite size, in-situ X-ray powder diffraction, synchrotron radiation, CaO-based solid sorbents.
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/24 Principi di ingegneria chimica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Industriale
Codice ID:7970
Depositato il:16 Nov 2015 11:54
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