Utilisation d’une colonne à bulles pour la carbonatation de résidus miniers de serpentine.

Bruno, Sébastien (2023). Utilisation d’une colonne à bulles pour la carbonatation de résidus miniers de serpentine. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 214 p.

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Résumé

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Les techniques de capture, utilisation et stockage du carbone (CUSC) sont de plus en plus étudiées ces dernières dizaines d’années. La communauté scientifique est d’accord sur le lien entre les émissions anthropiques de gaz à effet de serre (GES), et essentiellement le dioxyde de carbone (CO2), et le réchauffement global à la surface de notre Terre. Afin de limiter ce dérèglement, les CUSC sont donc d’une importance capitale et parmi elles, la carbonatation minérale est un candidat intéressant. Cette réaction permet de piéger le CO2 en le faisant réagir avec un oxyde métallique comme le calcium ou le magnésium, afin de former le carbonate correspondant, stable et inerte. Cette étude s’inscrit dans la volonté de développer la carbonatation minérale à échelle industrielle afin de capturer des quantités conséquentes de CO2. Ainsi, la conception et optimisation d’une colonne à bulles afin d’opérer la carbonatation minérale de résidus miniers en continu a été menée afin de définir son potentiel en tant que contacteur pour la réaction. La réaction est opérée en solution aqueuse, à température ambiante et pression atmosphérique, sans additif. L’étude se focalise sur le traitement d’un gaz contenant aux alentours de 18 % de CO2 en volume, teneur représentative d’un gaz de cheminée industriel de cimenterie. Les travaux effectués comprennent dans un premier temps la conception du réacteur ainsi que son optimisation en opération semi-continu. Les résultats ont montré qu’une capacité de séquestration de 165 kg de CO2 par tonne de résidu solide pouvait être atteinte en 2 h de réaction avec une teneur en pulpe de 3,6 % en masse. Une fois cette étude effectuée, la réaction a été opérée en continu dans le même réacteur afin de comparer les résultats. Ces derniers sont encourageants pour le développement futur à l’échelle industrielle. En effet, les résultats sont similaires à ceux trouvés en semi-continu avec un rendement d’extraction de 15 % atteint en 1 heure de réaction pour une teneur en pulpe de 3 % en masse. En parallèle, le réacteur a été caractérisé au niveau du mélange du liquide et du solide, démontrant une homogénéité du solide au sein du réacteur et un mélange quasi parfait au niveau du liquide. De plus, le modèle de « crackling core » a été testé et représente de façon satisfaisante la réaction dans toutes les conditions expérimentales. Les résultats semblent confirmer que la réaction est limitée au niveau du solide, via une étape de transport. Cette thèse est séparée en deux parties. La première donnant le contexte de l’étude par une revue de littérature, avant de présenter une synthèse du travail effectué et des principaux résultats. La deuxième partie représente ces résultats via trois articles scientifiques, présentant l’étude en semi-continu, la caractérisation du réacteur et modélisation de la réaction, et enfin l’étude en continu.

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Carbon capture, utilisation and storage (CCUS) techniques have been the subject of increased research in recent decades. The scientific community agrees that anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions, particularly carbon dioxide (CO2) emissions, are responsible for the Earth’s surface warming. The CCUSs are therefore of utmost importance in order to reduce our GHG emissions, and mineral carbonation is one of them. By combining CO2 with a metal oxide, such as calcium or magnesium, this reaction creates the corresponding stable and inert carbonate, allowing CO2 to be trapped. This study is part of the will to develop mineral carbonation on an industrial scale in order to capture significant amounts of CO2. Thus, the design and optimisation of a bubble column in order to operate the mineral carbonation of mine tailings in continuous was conducted. The reaction is carried out in aqueous solution, at room temperature and atmospheric pressure, without additives. The study focuses on the treatment of a gas with a CO2 level of roughly 18% (v/v), which is typical of an cement plant flue gas. The work performed includes the design of the reactor as well as its optimisation in semi-continuous operation. As a result, it was demonstrated that a sequestration capacity of 165 kg of CO2 per ton of solid residue could be achieved for 2 h of reaction with a slurry density of 3,6 % (w/w). Once this study was completed, the reaction was operated continuously in the same reactor in order to compare the results. The results are encouraging for future development on an industrial scale. Indeed, results are similar to those in semi-continuous mode with a reaction extent of 15 % of Mg extracted for 1 h of reaction with a slurry density of 3 % (w/w). In parallel, the mixing inside the reactor was characterised and results show that solid is homogeneously mixed and that liquid mixing can be assumed as perfect. Furthermore, the crackling core model was tested and represents properly the reaction in our conditions. Results lead to think that the reaction is limited by a transport step around the solid material. This thesis is separated in two parts. The first part gives the context of the study through a literature review, before presenting a synthesis of the work done and the main results. The second part represents these results through three scientific papers, with the semi-continuous study, the hydrodynamic characterisation and reaction modelisation, and finally the continuous study.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Pasquier, Louis-César
Mots-clés libres:	carbonatation minérale; colonne à bulles; séquestration du CO2; opération en continu; régime turbulent; mineral carbonation; bubble column reactor; CO2 capture; continuous operation; heterogeneous regime
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	07 déc. 2023 20:29
Dernière modification:	07 déc. 2023 20:29
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13736

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