Microwave-assisted mineral carbonation of brucite as a proxy for CO2 capture and storage by serpentine

Study of Mineral Carbonation, MC, as a CCS (Carbon Capture and Storage) technique with the aim of obtaining net negative CO2 emissions as a climate change mitigation action. This method exploits the chemical reaction between the greenhouse gas and mineral matrices and leads to the formation of carbonates in which CO2 is irreversibly trapped. Despite the spontaneity of the MC process, the serious kinetic problems it suffers from make it currently uncompetitive with the current rates of CO2 emission of anthropogenic origin. Microwaves (MWs) are therefore explored as an energy input to artificially accelerate the reaction given their increasing use in the field of mineral digestion. The activation of the mineral in fact, through its cleavage, allows to increase its surface area, resulting in an increase in the active sites towards CO2. The mineral of interest is antigorite, a Mg phyllosilicate particularly available in nature and with excellent CO2 capture efficiency due to its crystallographic structure with particularly reactive cleavage surfaces. This is due to its characteristic wavy shape that alternates valleys of brucite, Mg(OH)2, active towards CO2, and hills of silica, inert. Given the structural complexity of antigorite, the project focused only on its active component, brucite, analyzing the catalytic effect of MWs in the capture of CO2 through microwave-assisted aqueous carbonation reactions. The tests carried out highlighted the formation of carbonates already at low reaction temperatures (40 °C) and in short times (1 h). Furthermore, the increase in the reaction temperature, i.e. MWs, accelerated the MC reaction, leading to the completion of the process in shorter times, presumably activating the mineral in terms of cleavage of its structure. It was also observed that the temperature, T, is crucial in the formation of the reaction product, obtaining different hydrated forms of MgCO3 depending on T: nesquehonite for T < 60 °C and hydromagnesite for T > 60 °C. The use of a model, formulated by treating the different processes involved in the aqueous carbonation of brucite at chemical equilibrium, allowed to describe the course of the MC reaction as a function of a single experimental parameter, continuously measured by the instrumentation used. In this context, the subsequent assumption of the absence of equilibrium for the CO2 dissolution process allowed to conclude that the absorption of CO2 in solution is the rate-limiting step in the MC reaction of brucite, providing useful indications for the acceleration of the process.

Studio della Carbonatazione Minerale, MC, come tecnica di CCS (Carbon Capture and Storage) con l'obiettivo di ottenere emissioni nette negative di CO2 come azione di mitigazione del cambiamento climatico. Questo metodo sfrutta la reazione chimica tra il gas serra e le matrici minerali e porta alla formazione di carbonati in cui la CO2 è irreversibilmente intrappolata. Nonostante la spontaneità del processo di MC, i gravi problemi cinetici di cui soffre lo rendono attualmente non competitivo con gli attuali tassi di emissione di CO2 di origine antropica. Le microonde (MWs) vengono quindi esplorate come input energetico per accelerare artificialmente la reazione dato il loro crescente utilizzo nel campo della digestione minerale. L'attivazione del minerale infatti, tramite il suo sfaldamento, consente di aumentarne l'area superficiale, con il conseguente aumento dei siti attivi verso la CO2. Il minerale di interesse è l'antigorite, un fillosilicato di Mg particolarmente abbondante in natura e con un'eccellente efficienza di cattura della CO2 grazie alla sua struttura cristallografica con superfici di sfaldamento particolarmente reattive. Ciò è dovuto alla sua caratteristica forma ondulata che alterna valli di brucite, Mg(OH)2, attiva nei confronti della CO2, e colline di silice, inerte. Data la complessità strutturale dell'antigorite, il progetto si è concentrato solo sulla sua componente attiva, la brucite, analizzando l'effetto catalitico delle microonde nella cattura della CO2 tramite reazioni di carbonatazione acquosa assistite da microonde. I test effettuati hanno evidenziato la formazione di carbonati già a basse temperature di reazione (40 °C) e in tempi brevi (1 h). Inoltre, l'aumento della temperatura di reazione, in termini di MWs fornite, ha accelerato la reazione di MC, portando al completamento del processo in tempi più brevi, presumibilmente attivando il minerale in termini di sfaldamento della sua struttura. È stato inoltre osservato che la temperatura, T, è cruciale nella formazione del prodotto di reazione, ottenendo diverse forme idrate di MgCO3 a seconda della T: nesquehonite per T < 60 °C e idromagnesite per T > 60 °C. L'utilizzo di un modello, formulato trattando all’equilibrio chimico i diversi processi coinvolti nella carbonatazione acquosa della brucite, ha permesso di descrivere l'andamento della reazione di MC in funzione di un singolo parametro sperimentale, misurato in continuo dalla strumentazione utilizzata. In questo contesto, la successiva assunzione dell'assenza di equilibrio per il processo di dissoluzione della CO2 ha permesso di concludere che l'assorbimento di CO2 in soluzione è il passaggio lento nella reazione di MC della brucite, fornendo utili indicazioni per l'accelerazione del processo.