ES2364421B2 - Captura y secuestro de co2 mediante la carbonatación de residuos cerámicos. - Google Patents

Captura y secuestro de co2 mediante la carbonatación de residuos cerámicos. Download PDF

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Abstract

La invención que se plantea tiene como objetivo la captura y secuestro de CO{sub,2} en materiales cerámicos procedentes de residuos de la construcción. Estos materiales reaccionan directamente con el CO{sub,2} en presencia de agua produciendo carbonatos, de forma que el CO{sub,2} se estabiliza de forma permanente.#La presente invención tiene una doble aplicación medioambiental: por un lado, se produce una reducción del CO{sub,2} atmosférico ya que se inyectaría en residuos cerámicos de la construcción y por el otro, se reduciría el impacto paisajístico negativo provocado por los residuos cerámicos de la construcción.

Description

Captura y secuestro de CO2 mediante la carbonatación de residuos cerámicos.
Objeto de la invención
La invención que se plantea tiene como objetivo la captura y secuestro de CO2 en materiales cerámicos procedentes de residuos de la construcción. Estos materiales reaccionan directamente con el CO2 en presencia de agua produciendo carbonatos, de forma que el CO2 se estabiliza de forma permanente.
La presente invención tiene una doble aplicación medioambiental: por un lado, se produce una reducción del CO2 atmosférico ya que se inyectaría en residuos cerámicos de la construcción y por el otro, se reduciría el impacto paisajístico negativo provocado por los residuos cerámicos de la construcción.
Estado de la técnica
El uso de combustibles fósiles generalizado desde el comienzo de la Revolución Industrial (referida al Hemisferio Norte sobre todo), causa la liberación a la atmósfera cada año de aproximadamente 7000 millones de toneladas de carbón, en forma de dióxido de carbono. También se ha generado este gas como un efecto secundario de la deforestación y la destrucción concomitante de los suelos, lo que libera el carbono retenido en ellos temporalmente en forma de materia orgánica. Por otro lado, actividades naturales del Planeta, como la emisión de grandes cantidades de gases por el volcanismo, contribuyen significativamente a este aumento de gases en la atmósfera. Se calcula que si se duplicase la proporción del CO2 en la atmósfera supondría un incremento de 2,5ºC de la temperatura media de la Tierra.
Las Naciones Unidas a través del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre Cambio Climático, IPCC, considera en el Informe del Grupo de Trabajo 1, en el “Fourth Assessment Report Climate Change 2007”, que el cambio climático es una realidad con consecuencias devastadoras para la Humanidad, y se argumenta como causa principal antropogénica la influencia que tienen los gases de “efecto invernadero” (CO2,CH4,NOx, vapor de agua) en la atmósfera. El efecto invernadero del CO2 es tan importante, que se calcula que si se duplicase la proporción de CO2 en la atmósfera supondría un incremento de 2,5ºC de la temperatura media de la Tierra.
Dado que la generación de estos gases va ligada al desarrollo de los países, la producción y acumulación es creciente y su disminución poco probable a nivel global. La Agencia Internacional de la Energía (IPA) predice un incremento de la demanda de la energía primaria hasta el 2030. En energía eléctrica se espera que se duplique la demanda, requiriéndose la instalación de 5000 GWe de nueva potencia. El CO2 es el gas industrial mayormente emitido en los países desarrollados, por el empleo de los combustibles fósiles, que son los principales generadores de energía. Como se indica en el Tercer Informe de Evaluación (TIE) del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre Cambio Climático (IPCC) (Metz et al. 2005) “la mayoría de los resultados de los modelos indican que las opciones tecnológicas conocidas podrían permitir alcanzar muy diversos niveles de estabilización del CO2 atmosférico”, pero que “ninguna opción tecnológica podrá lograr por sí sola las reducciones de emisiones necesarias”. Más bien, se necesitará una combinación de medidas de mitigación para lograr la estabilización.
La captación y el almacenamiento de CO2 (CAC o CCS “carbón capture sequestration”) se considera una de las opciones para reducir las emisiones de CO2 generado por actividades humanas. Otras opciones tecnológicas son las siguientes: 1) la reducción de la demanda de energía mediante el aumento de la eficiencia de los dispositivos de conversión y/o utilización de la energía; 2) la descarbonatación del suministro de energía (optando por combustibles con menos carbono, por ejemplo, reemplazando el carbón por el gas natural), y/o aumentando el uso de fuentes de energía renovables y/o de energía nuclear (las cuales, en definitiva, emiten cantidades escasas, de haberlas, de CO2); 3) el secuestro de CO2 mediante el perfeccionamiento de los sumideros naturales por medio de la fijación biológica; y 4) la reducción de los gases de efecto invernadero distintos del CO2.
La CAC, o CCS (Carbón Capture and Storage) es probablemente el mayor desafío geotecnológico del Siglo XXI. La CAC entraña primero el uso de tecnologías para recoger y concentrar el CO2 producido en las fuentes industriales, transportarlo posteriormente a un lugar de almacenamiento apropiado y, entonces, almacenarlo aislándolo de la atmósfera durante un largo período de tiempo.
Los posibles métodos de almacenamiento que se plantean son los siguientes:
a) Inyección del CO2 en las capas profundas de los océanos. Tiene el inconveniente de que la tecnología está inmadura y hay estudios que indican que puede afectar a los ecosistemas marinos.
b) Carbonatación mineral (en serpentinas). Tiene el inconveniente de que es un proceso de altos costes energéticos, además de ser demasiado local a escala regional.
c) Almacenamiento geológico. Tiene el inconveniente de que existe falta de conocimiento del potencial de almacenamiento de los distintos tipos de roca. Por otra parte presenta las ventajas de que el tiempo de retención calculado es de cientos a millones de años y la tecnología es aplicable directamente por la experiencia en exploración y producción de petróleo, gas, carbón, inyección de residuos y protección de aguas subterráneas.
Los tipos de formaciones y estructuras geológicas más propicios para el almacenamiento profundo de CO2 han sido ampliamente documentados en la literatura científica y técnica generada en los últimos años: 1) capas de carbón ricas en metano, 2) yacimientos agotados o en proceso de agotamiento de hidrocarburos (petróleo y gas), 3) acuíferos salinos profundos, y 4) cavidades en formaciones salinas. Los tres primeros tipos se postulan como objetivos más destacados, aunque su presencia y capacidad de almacenamiento, es decir, sus dimensiones, están condicionados por los rasgos geológicos específicos de cada territorio. Otras formaciones o estructuras geológicas posibles (como basaltos, pizarras bituminosas y minas abandonadas) representan opciones de almacenamiento que aún no han sido lo suficientemente estudiadas como para poder evaluar su potencial actualmente.
Por lo general se espera que el almacenamiento de CO2 en depósitos de hidrocarburos o en acuíferos salinos profundos tenga lugar a profundidades por debajo de 800 m, donde la presión y la temperatura darán lugar a que el CO2 se encuentre en estado líquido o supercrítico. En estas condiciones la densidad del CO2 oscilará entre el 50 y el 80% de la densidad del agua, porcentaje que se aproxima a la densidad de ciertos petróleos crudos, por lo que se originan fuerzas ascensionales que tienden a impulsar al CO2 hacia arriba. Es por ello por lo que se hace necesario que exista una roca de sellado sobre la roca almacén para que el CO2 permanezca retenido bajo tierra.
Por otra parte investigaciones preliminares de los inventores han demostrado que los materiales de construcción que contienen calcio y/o magnesio en su composición, pueden reaccionar con el dióxido de carbono para dar lugar a carbonatos, constituyendo por lo tanto una posible alternativa de carbonatación mineral a partir de residuos, como una alternativa para la captura y almacenamiento de CO2 (Carbón Capture Sequestration, CCS).
Hay que resaltar que en España se producen cada año 35 millones de toneladas de residuos provenientes de construcción y demolición (RDC), de los cuales apenas se reutilizan un millón, mientras que otros 25 millones se depositan en vertederos no controlados. El impacto ambiental que generan los RDC es bien conocido debido a que la gran mayoría se conducen a vertederos sin selección previa alguna. Si bien se consideran que los RDC son en su mayoría inertes
o asimilables a inertes y que no contaminan, producen un gran impacto visual y paisajístico, debido al gran volumen que ocupan y al escaso control ambiental ejercido sobre los terrenos que se eligen para su depósito.
El efecto visual y paisajístico negativo que producen los DRC, no sólo es consecuencia de una deficiente gestión, sino que también hay que tener en cuenta que durante la extracción a cielo abierto de las materias primas, que se utilizan para la elaboración de los materiales de construcción, se produce un gran impacto visual. Hay que destacar que el artículo 13 del Real Decreto 105/2008 sobre la producción y gestión de RDC (BOE 13/02/08), hace una mención especial a la regulación de la utilización de RDC en obras de restauración, acondicionamiento o relleno, lo que podrá ser considerada como operación de valorización.
La finalidad de esta invención es proponer la inyección de CO2 en canteras y graveras recuperadas con RDC. Para ello se parte de experimentos realizados en laboratorio sobre materiales cerámicos y CO2 en distintas condiciones ambientales. Se ha demostrado que en presencia de agua el proceso de carbonatación es directo con un flujo de CO2 a baja presión (<20 bar). Se han realizado experiencias con CO2 en estado supercrítico y se ha comprobado que el proceso de carbonatación tiene un rendimiento menor.
Descripción de las figuras
Figura 1. Diagramas de difracción de rayos X en los que se ve la variación del contenido de calcita desde la muestra inicial (diagrama en negro), hasta la muestra final (diagrama en azul) tras 65 h de reacción con CO2 en presencia de un 10% de agua.
Descripción de la invención
La presente invención tiene por objeto la captura y secuestro de CO2en materiales cerámicos provenientes de residuos de la construcción. En presencia de agua, a presiones variables de CO2 y en función de su composición mineralógica inicial, estos materiales reaccionan directamente con el CO2 produciendo carbonatos, de forma que se fije el dióxido de carbono de forma permanente.
La presencia de agua es esencial para que se produzca dicha reacción de carbonatación en los materiales cerámicos, debiendo variar la proporción de agua entre un5yun30% en peso en función de la composición y temperatura de fabricación de la cerámica estructural. Estos materiales cerámicos se fabrican a partir de arcillas comunes en un rango de temperatura de 800ºC-1100ºC.
Para la captura de CO2 se parte de residuos cerámicos de la construcción que se están utilizando para la recuperación de canteras y graveras y que se caracterizan por contener calcio y magnesio al menos en proporción superior al 5%, fundamentalmente en forma de óxidos y/o hodróxidos.
A estos materiales cerámicos se les inyecta CO2 a baja presión (con una presión de inyección de CO2 variable entre 0,5 y 80 bar, siendo los mayores rendimientos a presiones de CO2 <20 bar) con los que reacciona de forma química siempre en presencia de agua dando lugar a carbonatos, por lo que queda fijado de forma permanente.
El rendimiento de la reacción es mayor a presiones bajas de CO2 por lo que no es necesario alcanzar presiones grandes de CO2 y por lo tanto, realizar el almacenamiento a 800 m de profundidad como requieren otras alternativas de captura de CO2.
Se trata de un proceso de carbonatación directa de coste escaso, dado que no es necesario realizar una clasificación y molienda del material y por lo tanto no es necesario consumir energía para favorecer el proceso.
Se puede plantear la captura de CO2 directamente desde las chimeneas de las industrias cerámicas, o de cualquier otra que produzca emisiones de CO2 y conducirlo a las canteras recuperadas. En el primer caso el coste se reduciría considerablemente. Además se completaría el ciclo de vida de las arcillas comunes. Así la arcilla se usa extraída para fabricar cerámica estructural, etapa durante la que se producen emisiones de CO2, este gas se captura e introduce en las propias canteras explotadas cuando se están recuperando con ladrillos de desecho y otros materiales de construcción.
Modo de realización de la invención
A continuación se describe una realización preferente y no limitativa de la invención.
Como materia prima se parte de una mezcla de arcillas comunes que contiene 30% carbonatos (calcita y dolomita), 30% cuarzo, 37% filosilicatos y 3% feldespatos. Esta materia prima se cuece a 850ºC, siendo el resultado un producto de cerámica estructural que contiene un 5% de calcita, junto a minerales de alta temperatura y a óxidos de Ca y Mg.
Se prepara una mezcla de este producto cerámico con agua (10% en peso) y se aplica una corriente de 1 bar de CO2 a una temperatura de 30ºC durante 65 horas. Tras este proceso el contenido de calcita aumenta del 5% a más del 15% en peso, por la carbonatación producida tras reaccionar el calcio presente (obviamente no en forma de calcita) con CO2 en presencia de agua.
Para evaluar las variaciones del contenido de calcita habría que reproducir esta reacción en un difractómetro de rayos X dotado de cámara de reacción y aplicar un procedimiento de cuantificación de fases basado en refinamiento Rietveld (por ejemplo TOPAS). En la Figura 1 el primer diagrama corresponde al de la muestra original (en negro). Los sucesivos diagramas corresponden a los productos formados tras añadir agua e inyectar la corriente de CO2.En concreto el diagrama rosa corresponde a un tiempo de reacción de 24 horas. Los siguientes fueron obtenidos cada 1,5 horas, y así hasta que el tiempo total de reacción fuera de 65 horas (diagrama azul). Los resultados del análisis cuantitativo aparecen en la Tabla 1.
TABLA 1
Evolución del contenido en calcita en presencia de CO2 en función del tiempo de reacción

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Captura y secuestro de CO2 mediante la carbonatación de residuos cerámicos caracterizado porque consiste en la inyección de CO2 en residuos cerámicos procedentes de la construcción a una presión variable entre 0,5 bar y 80 bar (preferiblemente <20 bar), en presencia de agua entre 5% y 30% en peso de acuerdo con la composición, que debe ser en Ca y Mg superior a un 5% y durante el tiempo necesario para que todo el Ca y Mg disponible se transforme en carbonatos.
  2. 2.
    Captura y secuestro de CO2 mediante la carbonatación de residuos cerámicos según la reivindicación 1 caracterizado porque los residuos cerámicos tienen una composición en Ca y Mg superior a un 5% en peso y el tiempo de inyección de CO2 será el necesario para que todo el Ca y Mg disponible se transforme en carbonatos.
  3. 3.
    Captura y secuestro de CO2 en canteras y graveras rehabilitadas ó en recuperación con residuos cerámicos según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque constituye una alternativa de bajo coste económico, al no ser necesario trabajar con CO2 en estado supercrítico ni realizar almacenamiento a 800 m de profundidad.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud:201000084
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 25.01.2010
    Fecha de prioridad: 00-00-0000
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : B01D53/62(2006.01)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    A
    IIZUKA et al. Development of a New CO2 Sequestration Process Utilizing the Carbonation of Waste Cement.Ind. Eng. Chem. Res. 2004, Vol. 43, páginas 7880-7887. 1-3
    A
    US 2009202410 A1 (KAWATRA et al.) 13-08-2009, párrafos [9],[38]; tabla 1. 1-3
    A
    US 2009143211 A1 (RIMAN et al.) 04-06-2009, párrafos [72-80]. 1-3
    A
    FERNÁNDEZ BERTOS et al. A review of accelerated carbonation technology in the treatment of cement-based materials and sequestration of CO2. Journal of Hazardous Materials 2004, Vol. B112, páginas 193-205. 1-3
    A
    STOLAROFF et al. Using CaO-and MgO-rich industrial waste streams for carbon sequestration. 2005, Vol. 46, páginas 687-699. 1-3
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº: TODAS
    Fecha de realización del informe 16.11.2010
    Examinador A. Rúa Aguete Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud:201000084
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) B01D Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, XPESP, CAPLUS
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud:201000084
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita:
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-3 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-3 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud:201000084
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    IIZUKA et al. Development of a New CO2 Sequestration Process Utilizing the Carbonation of Waste Cement. Ind. Eng. Chem. Res. 2004, Vol. 43, páginas 7880-7887.
    D02
    US 2009202410 A1 (KAWATRA ET AL.) 13.08.2009
    D03
    US 2009143211 A1 (RIMAN ET AL.) 04.06.2009
  4. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El objeto de la invención es un procedimiento para la captura y secuestro de CO2 mediante la carbonatación de residuos cerámicos por inyección de CO2 en residuos cerámicos procedentes de la construcción. No es necesario realizar una clasificación y molienda previa del material, lo que reduce el consumo energético y reduce el efecto paisajístico negativo de este tipo de residuos.
    El documento D1 divulga un procedimiento para la captura y secuestro de CO2 mediante la inyección de CO2 en residuos cementosos procedentes de la construcción a una presión de 30 bar y en presencia de entre 0.29 y 2.9 % en peso de agua. El contenido de Ca en este tipo de residuos es elevado. (Ver párrafos 9 y 38).
    El documento D2 divulga un procedimiento para la captura y secuestro de CO2 mediante la carbonatación de residuos de diversa naturaleza como polvos procedentes de horno de cementos, con un alto contenido en Ca y Mg en presencia de agua, que actúa como catalizador de la reacción. (Ver párrafos 9,14).
    El documento D3 divulga un procedimiento para la captura y secuestro de CO2 en una matriz que comprende residuos industriales del tipo escorias, cenizas volantes para la obtención de materiales cerámicos. (Ver párrafo 72).
    Ninguno de los documentos D1-D3 citados o cualquier combinación relevante de los mismos revela un procedimiento para la captura y secuestro de CO2 mediante la carbonatación de residuos cerámicos procedentes de la construcción a una presión variable entre 0.5 y 80 bar y en presencia de agua entre 5 y 30% en peso de acuerdo con la composición de los residuos cerámicos que debe ser en Ca y Mg superior a un 5%. En consecuencia, la invención tal y como se recoge en las reivindicaciones 1-3 de la solicitud es nueva y se considera que implica actividad inventiva (Art. 6 y 8 LP).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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