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Carbonatation directe gaz-solide des résidus miniers de serpentinite pour séquestrer chimiquement le CO.

Puthiya Veetil, Sanoopkumar (2014). Carbonatation directe gaz-solide des résidus miniers de serpentinite pour séquestrer chimiquement le CO. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 166 p.

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Résumé

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Le travail présenté dans cette thèse a été initié avec comme objectif principal d'évaluer le potentiel de stockage du CO2 des résidus de serpentine générés par les différentes mines du Sud du Québec. La composition minéralogique moyenne de ces résidus est représentée par les minéraux de la famille de la serpentine (Mg3Si20s(OH)4) principalement, avec d'autres phases minérales minoritaires. Les industries du Québec émettent du CO2 qui représente environ un tiers des émissions totales de la province (MDDEFP, 2013). C'est ce contexte qui a motivé le début de ce travail de recherche, dans le but de développer une technologie alternative applicable pour stocker de façon permanente le CO2 émis par les cheminées industrielles. Pour atteindre ce but, cette étude a adopté une nouvelle approche qui consiste à intégrer dans un procédé, en une seul étape, des résidus miniers et un mélange gazeux de composition équivalente aux gaz de combustion. Cette méthode pourrait éliminer les étapes de capture et de pré-concentration du procédé de carbonatation minérale. L'utilisation de résidus miniers plutôt que des minéraux purs permettrait également d'éviter la nécessité d'une exploitation minière et la préparation du minerai. Cette approche permettrait une réduction significative du coût total du procédé. En effet, une importante partie des coûts dans la carbonatation minérale est associée à ces prétraitements (IPCC, 2005). Cette étude s'est concentrée sur la voie de carbonatation directe gaz-solide qui est un procédé simple, évitant l'utilisation d'eau et d'additifs chimiques. Les options de prétraitements choisies pour cette étude sont la séparation magnétique et le traitement thermique. Une étude approfondie sur la séparation magnétique des résidus de serpentine a été réalisée avec comme objectifs supplémentaires de fournir une amélioration au procédé et la production d'un produit à valeur ajoutée par la séparation des oxydes de fer. Les paramètres opératoires considérés pour l'optimisation de la séparation magnétique sont: densité de pulpe initiale, intensité magnétique et taille de particules. Le meilleur résultat, pour la séparation magnétique, a été obtenu avec une intensité de 7,5x10•3 T, 40% de densité de pulpe et une taille de particules moyenne de 75 ~m. Dans ces conditions optimales, et en deux passes, la séparation magnétique a enlevé 71 % des impuretés de fer présent dans le résidu. Le concentré magnétique récupéré a un grade de 79% de concentration en oxyde de fer. Les essais préliminaires effectués pour estimer l'efficacité de l'enlèvement du CO2 (gC02 / g de résidu) par les résidus de serpentinite montrent que le matériel peut enlever du CO2 de l'alimentation gazeuse, par le biais d'une réaction d'adsorption réversible. Le résidu de serpentinite peut capturer environ 38% du CO2 de l'alimentation gazeuse à une température de 260 OC et une pression totale de 5 barg en 15 minutes. Plusieurs séries d'essais, y compris en batch successifs, n'ont cependant pas mené à la formation de suffisamment de carbonates pour que le minéral puisse être détecté. La capacité de capture de CO2 par les résidus en conditions sèches a été estimée pour différentes pressions. Le maximum de CO2 capturé était de 0,13 gC02 / 9 résidus et 0,09 gC02 / 9 résidus, à 250C et 250OC, respectivement. Un plateau dans l'enlèvement du CO2 apparait à 15 barg (250 OC) et 20 barg (25 OC). Les analyses de carbone élémentaire du solide réagi aux conditions maximales montrent que les concentrations en carbone sont en dessous de la limite de détection tandis que les analyses de DR-X de ces mêmes solides n'ont pas détectés de minéraux carbonatés. Les expériences de carbonatation et les analyses de solide indiqueraient qu'une adsorption réversible serait responsable de l'enlèvement du CO2. Les prétraitements effectués sur les échantillons (séparation magnétique et traitement thermique) ne semblent avoir eu aucun effet sur la quantité de CO2 capturé ou la carbonatation. Les expériences de carbonatation directe gaz-solide avec ajout d'une faible quantité de vapeur d'eau montre que sa présence semble catalyser la carbonatation du CO2. Cependant, la quantité de carbonates formés est trop faible pour une application commerciale. Les conditions où le maximum de carbonatation a été observé sont: une durée d'une heure à 200OC, une pression de gaz de 25 barg (18% CO2, 10%vol vapeur d'eau). Dans ces conditions, le matériel a fixé 0,07 9 de CO2 par 9 de serpentinite sous forme de carbonates. Le rapport CO2 /vapeur d'eau et l'humidité relative semblent tous les deux jouer un rôle dans la carbonatation minérale lors d'une réaction gaz-solide.

Abstract

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The present thesis work has initiated with a principle objective to assess the CO2 storage potential of serpentinite residues generated from the different minerai extraction mines of Southern Ouebec. The major minerai compositions in these residues are serpentine (Mg3Si20s(OH)4) with other minor minerai associates. In other context, the industries of Ouebec emit CO2 , which contribute about one third of the total provincial emissions (MDDEFP, 2013). It is these factors motivated to begin the present thesis work with an aim to develop a promising and viable alternative to permanently store the CO2 given off from industrial chimney. To achieve this end, the present study adopted a novel approach of incorporating a waste residue and a flue gas mixture in a single step carbonation process. This scheme can eliminate the CO2 capture and pre-concentration step from the minerai carbonation process. Instead of pure minerai, using a mine residue can avoid the necessity of mining and minerai purification. These approaches can help to reduce the total process costs, as currently a greater proportion of minerai carbonation costs are accounted by such pre-process requirements (IPCC, 2005). Direct gas-solid carbonation was selected for the present study as it provides process simplicity through the exclusion of water and chemical additives. The study also scrutinized the requirement of various pre-treatment options in direct gas-solid carbonation and the treatments adapted were magnetic separation and thermal activation. An extensive magnetic separation study with the residue was carried out with supplementary objectives of providing process enhancement and value addition through the separation of iron oxide materials from the residues. The operating parameters considered for the optimization of magnetic separation are initial pulp density, magnetic intensity and particle size. The optimum result in magnetic separation was evaluated at 7.5x1 0-3 T with 40% initial pulp density using the residues of mean size 75 Ilm. At optimum condition, the magnetic separation removed about 71 % of the iron impurities from the feed residues through a second pass approach. The recovered magnetic fractions have good grade quality with 79% iron oxide concentration. The preliminary experimental results to assess the CO2 removal efficiency of serpentinite residues showed that the CO2 is removing from the feed gas through a reversible adsorption process. The serpentinite residues removed about 38% of CO2 from the feed gas at 260 "C, 5 barg total pressure in 15 min. Many experimental attempts such as successive batch carbonation conducted at the above conditions could not produce any detectable carbonate. The CO2 removal capacity of the residues in dry condition is separately assessed and the maximum CO2 removal capacity of the residue at dry condition obtained are 0.13 and 0.09 gC02 / 9 residue respectively at 25 and 250 "C. A plateau in CO2 removal is observed at 15 barg (250 "C) and 20 barg (25 "C). The elemental carbon analyses of reacted solids after direct dry gas-solid experiments are below the detection limit indicating the absence of carbonates. The XRD analysis of reacted solids at maximum CO2 removal conditions did not detect any carbonate species. The carbonation experiments and sol id analyses conducted under dry condition indicate that a reversible adsorption might be responsible for the CO2 removal. In dry conditions, the pre-treatment of residue such as magnetic separation and thermal treatment are neither improved CO2 removal nor carbonation. The direct gas-solid experiments with water vapor show that its addition in certain level enhances carbonation. But the quantity of carbonate produced was too low for a commercial application. The residue achieved maximum carbonation at 200 "C with a gas mixture of 25 barg pressure contains 18 Vol% CO2 and 10 Vol% water vapor in 1 h. At the above condition, the material is fixed about 0.07 9 CO2 per 9 of serpentine as carbonate. It was identified that both CO2-water ratio and relative humidity plays a role in the water vapor enhanced direct gassolid carbonation.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Mercier, Guy
Co-directeurs de mémoire/thèse: Blais, Jean-François
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: résidus de serpentin; carbonatation minérale; résidus miniers; séquestration; gaz de combustion; séquestration; CO₂; industrie
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 23 sept. 2014 20:44
Dernière modification: 17 mars 2016 18:13
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2352

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