MX2012003259A - Tratamiento a alta temperatura de minerales hidratados. - Google Patents

Abstract

El incremento de la actividad del silicato de magnesio hidratado con respecto a la captación de dióxido de carbono por carbonatación mineral incluye calentamiento rápido del silicato de magnesio hidratado. El calentamiento rápido del silicato de magnesio hidratado incluye calentar una cantidad de partículas de silicato de magnesio hidratado con condiciones de flama para deshidroxilar sustancialmente las partículas. Las partículas deshidroxiladas se puede poner en contacto con dióxido de carbono en un procedimiento de captación para formar carbonato de magnesio.

Description

TRATAMIENTO A ALTA TEMPERATURA DE MINERALES HIDRATADOS CAMPO TECNICO La presente invención se relaciona con un procedimiento para la captación de dióxido de carbono gaseoso y se relaciona particularmente con la conversión química de dióxido de carbono en carbonatos sólidos por lo que se reduce la acumulación de dióxido de carbono en la atmósfera. En particular, la presente invención se relaciona con la producción de una materia que ha sido activada con respecto a la captación de dióxido de carbono por carbonatación mineral. La presente invención también se relaciona con un método para la carbonatación mineral y por lo tanto la captación de dióxido de carbono utilizando la materia prima activada.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION La captación de dióxido de carbono gaseoso en depósitos que están aislados de la atmósfera es una tecnología que se está desarrollando y que se reconoce como un elemento en los intentos mundiales de reducir emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. El rápido incremento de las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono es preocupante debido a sus propiedades como un gas de efecto invernadero y su contribución a los fenómenos de calentamiento global y cambio climático. Aunque existen diversas tecnologías para la captación y concentración de dióxido de carbono en gases de escape de combustión, la mayor parte de las instalaciones actuales utilizan captación subterránea conocida como geocaptación . Esto se puede presentar en depósitos de petróleo o gas agotados u otras formaciones porosas subterráneas que están aisladas adecuadamente de la atmósfera. Estos depósitos o formaciones pueden estar situadas bajo tierra o bajo el mar. Otros posibles depósitos subterráneos para dióxido de carbono gaseoso son los denominados acuíferos salinos. El almacenamiento directo de dióxido de carbono en las profundidades del océano también se ha investigado.

Otro campo de estudio es lo que se conoce como carbonatación mineral mediante la cual el dióxido de carbono se hace reaccionar químicamente con un óxido de metal alcalino o alcalinotérreo o con minerales de silicato para formar carbonatos sólidos. El uso de esta ruta en una fuente de proceso dé carbonatación mineral utilizando minerales que han sido extraídos y procesados se conoce como carbonatación mineral ex-situ, en oposición a la carbonatación in-situ, por medio de la cual el dióxido de carbono se deposita en formaciones minerales subterráneas y reacciona durante intervalos de tiempo prolongados con los minerales en formaciones subterráneas existentes. La captación ex-situ por medio de carbonatación mineral se describe en este documento.

La carbonatación mineral tiene numerosas ventajas potenciales con respecto a otros métodos de captación de dióxido de carbono que incluyen permanencia y estabilidad relativas y riesgo reducido de fugas de dióxido de carbono gaseoso con lo que se elimina la necesidad de supervisión costosa a largo plazo. Además, los sitios subterráneos adecuados para geocaptación no existen en todos los lugares. Las reacciones químicas de carbonatación mineral también se favorecen termodinámicamente con liberación exotérmica de energía debido a la formación de carbonatos. Muchos de los minerales utilizados para carbonatación mineral son abundantes y están distribuidos ampliamente de manera mundial. Estos minerales pueden ser extraídos en minas y someterse a trituración y otras tecnologías. Generalmente son benignos y los riesgos ambientales y de seguridad son manejables fácilmente. En particular, el mineral conocido ampliamente como serpentina (un hidróxido de silicato de magnesio) se ha calculado que está disponible en cantidades suficientes para captar todas las emisiones globales de dióxido de carbono de las reservas de combustible fósil conocidas.

Se conocen numerosas técnicas para carbonatación mineral de dióxido de carbono. Así, en una publicación intitulada "Activation of magnesium rich minerals as carbonation feedstock materials for C02 sequestration, " Fuel Processing Technology 86 (2005) 1627-1645, Maroto-Valer et al. describen la activación física y química de serpentina para reacción con C02. La activación física involucra exponer el mineral a vapor y aire a una temperatura de hasta 650°C. La activación química involucra someter muestras de mineral a un conjunto de ácidos y bases .

El documento de E.U.A. 2007/0261947 describe un procedimiento para la captación de dióxido de carbono por carbonatación mineral en la cual hidróxido de silicato en lámina de magnesio o calcio se convierte en el ortosilicato o silicato en cadena correspondiente por calentamiento utilizando gas de síntesis caliente a por lo menos 600°C. El ortosilicato o silicato en cadena después se pone en contacto con C02 para producir carbonato de magnesio o de calcio y sílice.

Además de este y otros métodos para captación de dióxido de carbono por carbonatación mineral, sería deseable proporcionar técnicas alternativas y preferiblemente mejoradas. Por lo tanto sería deseable proporcionar metodología en la cual el reactivo mineral se vuelva más reactivo altamente hacia el dióxido de carbono. Esto podría incrementar la eficiencia del procedimiento de carbonatación mineral.

IA INVENCION Como se describe en la presente, se ha encontrado posible incrementar la actividad de una clase particular de materia prima con respecto a carbonatación mineral de> dióxido de carbono por tratamiento con calor del mineral, de acuerdo con un régimen de tratamiento por calor particular .

En consecuencia, se describe un método para incrementar la actividad de un mineral de silicato de magnesio hidratado con respecto a carbonatación mineral de dióxido de carbono, método . el cual comprende el choque térmico del mineral por calentamiento muy rápido.

Como se describe en la presente, el calentamiento rápido (choque térmico) de un mineral de silicato de magnesio hidratado genera modificaciones en el mineral que resultan en actividad aumentada con respecto a la carbonatación mineral de dióxido de carbono. En este contexto, el incremento en la actividad es relativo al mineral que no ha sido sometido al tratamiento con calor. El incremento en la actividad también se relaciona con el mineral correspondiente que ha sido calentado lentamente, por ejemplo, como se describe por Maroto-Valer y el documento de E.U.A. 2007/0261947.

El calentamiento rápido del mineral de silicato de magnesio hidratado en escalas de tiempo menores de 1 minuto, como se describe en la presente, se considera que resulta en cambios estructurales y de composición que generan una reactividad aumentada del mineral con respecto al dióxido de carbono. Esto contrasta notablemente con los procedimientos existentes de activación por calor que requieren duraciones que exceden de 30 minutos. Sin desear unirse a teoría alguna, estos cambios se describen con mayor detalle en lo siguiente.

En la presente también se describe una materia prima activada para uso en la carbonatacion mineral de CO2.

También se describe un método para la carbonatacion mineral de dióxido de carbono el cual incluye formar una materia prima activada por choque térmico de un mineral de silicato de magnesio hidratado y poner en contacto con la materia prima activada con dióxido de carbono.

También se describe un método para la carbonatacion mineral de dióxido de carbono la cual incluye formar una materia prima activada por choque térmico de un mineral de silicato de magnesio hidratado, formar una suspensión o solución que incluye la materia prima activada y poner en contacto la suspensión o solución con dióxido de carbono .

En general, diversos aspectos innovadores de la materia objeto descrita en esta especificación muestran incremento en la actividad de un mineral de silicato de magnesio hidratado con respecto a la captación de dióxido de carbono por carbonatacion mineral mediante calentamiento rápido del mineral en combinación con uno o más aspectos innovadores que se describen más adelante.

En otro aspecto, el tratamiento de silicato de magnesio hidratado incluye calentar una cantidad de partículas de silicato de magnesio hidratado con condiciones de llama para deshidroxilar sustancialmente las partículas. El calentamiento incluye mover las partículas desde el exterior de las condiciones de llama al interior de las condiciones de llama para someter las partículas a un incremento en la temperatura ambiente de por lo menos 400°C en menos de (o hasta en) 10 segundos, calentar las partículas en condiciones de llama durante menos de (o hasta por) 10 minutos a una temperatura de partícula pico promedio para proporcionar una composición y extraer la composición de las condiciones de llama.

En algunas implementaciones, la cantidad de partículas se pueden transformar en una composición que comprende forsterita o que consiste esencialmente de forsterita. En algunas modalidades, el calentamiento incluye mover las partículas desde el exterior de las condiciones de llama al interior de las condiciones de llama para someter las partículas a un incremento en la temperatura ambiente de por lo menos 400 °C en menos de (o hasta en) 1 segundo. En algunas implementaciones, las partículas se calientan en condiciones de llama durante menos de (o hasta en) 2 minutos a una temperatura partícula pico promedio para proporcionar la composición. En algunos casos, el calentamiento alcanza una temperatura pico promedio con respecto al silicato de magnesio hidratado de por lo menos 600°C. En algunos ejemplos, el calentamiento se produce . en un horno encendido con combustible hidrocarbonáceo, un calcinador, un calcinador de lecho fluidizado o en un arco de plasma o eléctrico.

En algunas implementaciones, la captación de dióxido de carbono incluye formar una materia prima activada mediante calentamiento rápido de un mineral de silicato de magnesio hidratado por un método que incluye uno de los diversos aspectos y/o modalidades y poner en contacto la materia prima activada con dióxido de carbono para formar carbonato de magnesio. Algunas implementaciones incluyen separar óxidos de metal diferentes de óxido de magnesio y silicato de magnesio de la materia prima activada para producir una materia prima activada residual que incluye óxido de magnesio y silicato de magnesio, y poner en contacto la materia prima activada residual con dióxido de carbono para formar carbonato de magnesio.

La materia prima activada o la materia prima activada residual se pueden enfriar por una duración de tiempo antes de ponerse en contacto con el dióxido de carbono. En algunos casos, la materia prima activada o la materia prima activada residual se exponen a dióxido de carbono gaseoso húmedo durante por lo menos parte del tiempo en que la materia prima activada o la materia prima activada residual se está enfriando. Algunas implementaciones incluyen combinar un solvente y la materia prima activada o la materia prima activada residual para formar una suspensión, solución o lechada o solución. En un ejemplo, el solvente es agua y la suspensión, lechada o solución es acuosa.

Los detalles de una o más modalidades se establecen en las figuras anexas y en la descripción siguiente. Otras características, objetivos y ventajas serán evidentes a partir de la descripción y figuras y de las reivindicaciones.

DESCRIPCION BREVE DE LAS FIGURAS Se ilustran modalidades con referencia a las figuras anexas no limitantes, en las cuales: La figura 1 ilustra un cambio en el peso de un mineral de serpentina con temperatura para diversos regímenes de calentamiento (véase McKelvy et al., Environ. Sci. Tech. 38, 6897 (2004).

La figura 2 muestra los espectros de difracción -lu¬ de rayos X de materia prima de lizardita y diversos productos de deshidroxilación de lizardita (véase McKelvy et al., Environ. Sci. Tech. 38, 6897 (2004).

La figura 3 muestra una vista detallada de un espectro de difracción de rayos X para una mezcla de lizardita y un producto de deshidroxilación de lizardita (véase McKelvy et al., Environ .. Sci . Tech. 38, 6897 (2004).

La figura 4 ilustra la fracción en fase de lizardita y los productos de deshidroxilación de lizardita como una función de deshidroxilación (véase McKelvy et al., Environ. Sci. Tech. 38, 6897 (2004).

La figura 5 muestra una vista esquemática de una instalación experimental para un procedimiento de deshidroxilación.

La figura 6 muestra espectros de difracción de rayos X para muestras de lizardita calentadas a 1000°C para una gama de tiempos de exposición.

La figura 7 ilustra una estructura propuesta de un producto de deshidroxilación de lizardita.

La figura 8 muestra un espectro de difracción de rayos X de un producto de deshidroxilación de lizardita calentado durante 160 seg a 1000°C y un espectro calculado para la estructura ilustrada en la figura 7.

La figura 9 muestra imágenes de SEM de un producto de deshidroxilación de lizardita.

La figura 10 muestra imágenes SEM de un producto de deshidroxilación de lizardita.

La figura 11 muestra imágenes SEM de un producto de deshidroxilación de lizardita.

La figura 12 muestra imágenes SEM de un producto de deshidroxilación de lizardita.

La figura 13 muestra datos de rayos X y de sincrotrón de lizardita que no ha reaccionado y que ha reaccionado, tratada de manera instantánea.

DESCRIPCION DETALLADA En algunos casos, un mineral de silicato de magnesio hidratado (a continuación el "mineral inicial") se calienta para volverlo altamente activo para reacción con CO2. Asi, el mineral inicial se somete a calentamiento rápido (en la presente denominado de otro modo como "choque térmico") para producir una materia prima activada. En este contexto, la actividad aumentada es en relación a la del mineral inicial antes del calentamiento rápido y también en relación a un mineral correspondiente que se somete a un calentamiento convencional relativamente lento. El calentamiento rápido del mineral inicial se considera que provoca cambios estructurales y de composición que resultan en actividad aumentada con respecto a la captación de dióxido de carbono.

De la manera en que se utiliza en la presente, un "mineral hidratado" se refiere de manera general a un mineral que incluye agua (H20) , grupos hidroxilo (-0H) o cualquier combinación de los mismos, en diversas formas cristalinas y agregados. Un material hidratado puede tener un contenido de agua, un contenido de hidroxilo o un contenido combinado de agua y de hidroxilo de por lo menos aproximadamente 5% en peso (expresado como un contenido de agua/hidroxilo de por lo menos aproximadamente 5% en peso) . Por ejemplo, un mineral hidratado puede tener un contenido de agua/hidroxilo entre aproximadamente 5% en peso y aproximadamente 20% en peso, o aproximadamente 13% en peso. En algunos casos, un mineral hidratado tiene un contenido de agua/hidroxilo de por lo menos aproximadamente 20% en peso.

El calentamiento rápido del mineral inicial se considera que resulta en cambios estructurales que vuelven al producto de calentamiento activo con respecto a la carbonatación mineral por reacción con C02. Sin desear unirse a teoría alguna, se considera que el choque térmico del mineral inicial resulta en uno o más de los siguientes efectos .

Las moléculas de agua y/o los grupos hidroxilo unidos inherentemente dentro de la retícula estructural del mineral inicial son extraídos durante el choque térmico. A su vez, esto puede generar una alteración de la estructura cristalina del mineral inicial y disolución mejorada de iones magnesio en agua. En otras palabras, el resultado es una disponibilidad aumentada de iones magnesio para reacción (en solución) con dióxido de carbono. Al reducir el contenido de agua/hidroxilo de un mineral hidratado para formar un mineral anhidro de esta manera se puede denominar como deshidratar el material hidratado. En algunas modalidades, la deshidratación incluye separación de agua, grupos hidroxilo (deshidroxilación) o una combinación de los mismos a partir de un mineral hidratado.

En un ejemplo, el tratamiento térmico rápido del mineral de silicato de hidroxilmagnesio lizardita (Mg3SÍ205 (OH) 4) proporciona forsterita (Mg2Si04) . La forsterita reacciona fácilmente con dióxido de carbono para formar carbonato de magnesio: Mg2Si04 + 2C02 ? 2 gC03 + Si02 El choque térmico del mineral inicial también puede generar un incremento en el área superficial por lo que vuelve al magnesio presente en la retícula cristalina más disponible para reacción con C02.

El mineral que se calienta es un mineral de silicato de hidroxilmagnesio. La reactividad de C02-de una diversidad de minerales de silicato de magnesio hidratados e hidroxilo, que incluyen sus formas polimórficas, se puede incrementar por calentamiento rápido. El mineral inicial puede ser rico en magnesio, con una relación molar de magnesio respecto a silicio de por lo menos 3:2. El mineral inicial puede ser serpentina, talco, olivina o mezclas de los mismos.

Los minerales de serpentina incluyen filosilicatos de hierro hidratados/hidroxilmagnesio formadores de rocas los cuales pueden incluir cromo, manganeso, cobalto, níquel o cualquier combinación de los mismos. Los minerales de serpentina tienen la fórmula general (Mg, Fe) 3 Si205(OH)4. Los diversos minerales se pueden encontrar mezclados juntos en diversas relaciones. En algunos casos, uno o dos de los átomos de silicio pueden estar sustituidos por un átomo de aluminio o un átomo de hierro. Las formas polimórficas de serpentina incluyen antigorita, crisotilo y lizardita. La lizardita u ortoantigorita es un mineral arcilloso de grano fino con la fórmula Mg3Si205 (OH)„ .

El calentamiento rápido de serpentina puede resultar en formación de un mineral meta-serpentina con un contenido hidroxilo reducido de acuerdo con la reacción: Mg3SÍ205(OH)4 ? Mg3Si20(5+2x) (OH) (4-4x) + 2x(H20) , en donde x representa el grado de deshidroxilación y 0 = x = 1.

Como un ejemplo adicional, el mineral hidratado lizardita (un mineral meta-serpentina derivado de serpentina) se puede calentar para formar los minerales anhidros forsterita (Mg2Si04) y enstatita (MgSi03) de acuerdo con la reacción: Mg3Si205(OH)4 -> Mg2Si04 + MgSi03 + 2H20 .

El tratamiento con calor rápido puede involucrar calentar el mineral inicial desde una temperatura inicial promedio a una temperatura final promedio para convertir la mayor parte (por lo menos 50% en peso o por lo menos 75% en peso) del mineral inicial hidratado a una forma anhidra. La temperatura inicial promedio puede ser la temperatura ambiente o mayor. La temperatura final promedio puede ser, por ejemplo, por lo menos aproximadamente 600°C, por lo menos aproximadamente 700°C, por lo menos aproximadamente 800°C, por lo menos aproximadamente 900°C o por lo menos aproximadamente 1000°C. En algunos casos, una temperatura final promedio máxima puede ser de aproximadamente 1100°C.

En algunas modalidades, el cambio en temperatura desde la temperatura promedio inicial a la promedio final se lleva a cabo con rapidez. En la presente, la velocidad a la cual se obtiene el cambio de temperatura se denomina "tasa de calentamiento instantáneo promedio", lo que hace referencia a la diferencia entre la temperatura final promedio y la temperatura inicial promedio dividida entre el tiempo que se requiere para que se lleve a cabo el cambio de temperatura. En algunos casos, la tasa de calentamiento instantáneo promedio es de por lo menos 1000°C/seg, por lo menos aproximadamente 5000°C/seg o por lo menos aproximadamente 10, 000°C/seg . La velocidad de calentamiento puede depender, por ejemplo, de la forma en la cual se proporciona el mineral de serpentina, el método de calentamiento, el aparato usado o cualquier combinación de los mismos.

El tratamiento con calor rápido se puede obtener de diversas maneras. El mineral inicial se puede calentar directamente utilizando una llama. En este caso, la tasa de calentamiento instantánea o requisito se puede obtener al proporcionar el mineral inicial dentro de la llama o una región de la misma. También es posible obtener una tasa de calentamiento instantánea adecuada al proporcionar el mineral inicial adyacente cercanamente, pero en realidad no dentro de la llama. Algunas condiciones se denominan "condiciones de llama". Las condiciones de llama pueden variar entre combustibles que se utilizan para generar la llama, las condiciones de combustión y la región espacial de la llama. Las condiciones de llama de combustibles comunes que pueden ser adecuados para este propósito pueden variar entre 600°C y 2000°C, en base en factores que incluyen, por ejemplo, el combustible, las instalaciones de combustión, el diseño de quemador y la región espacial de la llama. Los combustibles que pueden ser adecuados para este propósito incluyen gases combustibles comunes, tales como gas natural,, metano, etano, propano y butano; combustibles sólidos tales como carbón pulverizado; o combustibles de hidrocarburos líquidos tales como petróleo de horno.

También es posible obtener una tasa adecuadamente alta de calentamiento utilizando un arco de plasma o eléctrico. Estos métodos de calentamiento pueden proporcionar control mejorado de las tasas de calentamiento. Para implementación a gran escala, un método de calentamiento se puede seleccionar para permitir grandes rendimientos, calentamiento instantáneo, sinterizado reducido de partículas o cualquier combinación de los mismos. El método puede satisfacer las condiciones de procedimiento ejemplares para la carbonatación de emisiones a partir de una planta de energía que se muestra a continuación .

Los hornos o calcinadores se pueden diseñar para obtener las tasas de calentamiento instantáneo promedio deseadas y tasas de calentamiento promedio asi como las temperatura promedio finales deseadas, como se especifica en la presente. Los calcinadores, tales como calcinadores de lecho fluidizado en encendidos por gas pueden ser adecuados. Una vez que se obtiene la temperatura final promedio, se puede mantener la temperatura final promedio por un periodo de tiempo para asegurar que se obtengan las transformaciones deseadas en cuanto a composición y estructura. El tratamiento de calor general utilizado se puede definir tomando esto en consideración. De esta manera, en la presente el término "tasa de calentamiento promedio" se utiliza para indicar la diferencia entre la temperatura final promedio y la temperatura inicial promedio dividida entre la duración total del calentamiento. En un ejemplo, si una cantidad de un mineral hidratado se calienta rápidamente de 25°C a 1000°C y después se mantiene a 1000°C por una duración de calentamiento total de 10 segundos (tiempo durante el cual la mayor parte del mineral inicial se convierte a un mineral anhidro) , la tasa de calentamiento promedio será de 97.5°C/seg.

En algunos casos, la tasa de calentamiento instantáneo promedio y la tasa de calentamiento promedio puede ser las mismas o sustancialmente las mismas. En algunos casos, la tasa de calentamiento instantáneo promedio puede ser mayor que la tasa de calentamiento promedio. En un ejemplo, si la cantidad del mineral inicial hidratado se calienta desde una temperatura inicial promedio de 25°C a una temperatura final promedio de 1000°C en 0.1 seg y después se mantiene a 1000°C durante una duración de calentamiento total de 10 seg, la tasa de calentamiento instantáneo puede ser de aproximadamente 9750°C/seg mientras que la tasa de calentamiento promedio puede ser de aproximadamente 97.5°C/seg. En otro ejemplo, si la cantidad de mineral hidratado se calienta de 25°C a 1000°C en 0.05 seg y después se mantiene a 1000°C durante una duración de calentamiento total de 10 seg, en la tasa de calentamiento instantánea puede ser de aproximadamente 19500°C/seg y la tasa de calentamiento promedio puede ser de aproximadamente 97.5°C/seg. En algunos casos, para obtener las transformaciones de mineral que se desean, se puede combinar una tasa de calentamiento instantáneo promedio relativamente baja con una temperatura final relativamente alta, o viceversa.

La duración de tiempo total para convertir la mayor parte del mineral inicial hidratado a la forma anhidra puede variar dependiendo, por ejemplo, del tamaño de partícula, la temperatura inicial, la temperatura final, la tasa de calentamiento promedio, la tasa de calentamiento instantáneo promedio, el contenido de agua/hidroxilo del mineral hidratado y similares. Para una tasa de calentamiento instantáneo promedio de por lo menos aproximadamente 5000°C/seg, la duración de tiempo para convertir la mayor parte del mineral inicial hidratado a la forma anhidra puede ser menos de aproximadamente 10 min, menos de aproximadamente 5 min, menos de aproximadamente 4 min, menos de aproximadamente 3 min, menos de aproximadamente 2 min o menos de aproximadamente 1 min. En algunos casos, la duración de tiempo requerida para convertir la mayor parte del mineral hidratado a la forma anhidra puede ser menor. Por ejemplo, con una tasa de calentamiento instantáneo promedio alta (por ejemplo, mayor de 5000°C/seg), el tiempo puede ser menor de aproximadamente 30 seg, menos de aproximadamente 20 seg o menos de aproximadamente 10 seg. Cuando la tasa de calentamiento instantáneo promedio es alta, por ejemplo mayor de 10, 000°C/seg, el tiempo puede ser menor de aproximadamente 0.5 seg, menos de aproximadamente 0.25 seg o menos de aproximadamente 0.1 seg.

El mineral inicial que va a ser calentado puede estar en forma particulada. Se pueden utilizar molido o triturado para obtener una materia prima mineral inicial adecuada para uso. Una distribución de tamaño de partícula promedio se puede centrar en aproximadamente 38 µ??, aproximadamente 75 µ?t?, aproximadamente 150 µp? o aproximadamente 200 µ??. En algunos casos, el tamaño de partícula promedio es menor de aproximadamente 500 µ??> menor de aproximadamente 200 µp? o menor de aproximadamente 100 µ??. En algunos casos, el tamaño de partícula promedio puede estar en un intervalo entre aproximadamente 10 µp? y aproximadamente 100 µp\, entre aproximadamente 100 µp? y aproximadamente 200 µ?? o entre aproximadamente 200 µp? y aproximadamente 500 µ??.

La materia prima activada por choque térmico del mineral de silicato de magnesio hidratado, como se describe en la presente, se puede poner en contacto con dióxido de carbono. Un método para la captación de dióxido de carbono incluye formar una materia prima activada por calentamiento rápido de un mineral de silicato de magnesio hidratado, formar una suspensión o solución que incluya la materia prima activada y poner en contacto la suspensión o solución con dióxido de carbono. Se ha encontrado que las muestras sometidas a choque térmico (tratadas instantáneamente) reaccionan con dióxido de carbono a T = 130 °C y PCo2 = 15.86 kPa (2300 psi) por debajo de las condiciones acuosas de carbonatación estándar (T = 185°C, PC02 = 15.86 kPa (2300 psi)) (véase O'Connor et al., Carbón dioxide sequestration by direct mineral carbonation: process mineralogy of feed and products Minerals & Metallurgical Processing 29:95-101 (2002)). De esta manera, el tratamiento instantáneo (por ejemplo, calentamiento con tasas de calentamiento instantáneo promedio de por lo menos aproximadamente 100°C/seg) representa una opción de pretratamiento de mineral para la captación mineral de C02. En algunas modalidades, el choque térmico del mineral inicial se puede realizar en una atmósfera de dióxido de carbono (por ejemplo un ambiente húmedo con C02 + H20 gaseosos) para promover la nucleación de carbonatos en reacciones subsecuentes de carbonatacion de dióxido de carbono.

Se puede determinar la reactividad de una materia prima activada en base en espectroscopia infrarroja de reflexión de atenuación total (ATR) . Este método puede eliminar la necesidad para estudios en autoclave por lotes, que consumen tiempo o estudios en sincrotrón in situ costosos para muestras múltiples.

La figura 1 (datos de McKelvy et al., Environ. Sci. Tech 38, 6897 (2004)) muestra cambio en la temperatura y peso de un mineral de serpentina durante un procedimiento de tostado lento (deshidroxilación) . La gráfica 100 indica el calentamiento de la muestra a una tasa de aproximadamente 2°C/min. La gráfica 102 indica la pérdida de peso de la muestra durante las etapas iniciales de calentamiento, con una meseta pequeña cerca del inicio debido a la desorción de agua. La pérdida de peso de 13% en peso representa deshidroxilación completa (por medio de producción de H20) del mineral serpentina para formar un mineral anhidro. La pérdida de peso intermedia (es decir, entre 0 % en peso y 13% en peso) es indicativo de la presencia de minerales de meta-serpentina. La deshidroxilación comienza a 350 °C como se demuestra por el inicio de la pérdida de peso primaria paulatina y la endotermina 106 asociada que se observa en la gráfica 104. A temperaturas más altas, cuando la deshidroxilación es casi completa, la velocidad disminuye, continuando la pérdida de grupos hidroxilo residuales hasta una exotermina fuerte 108 a 782 °C, lo cual indica la condensación de una amalgama constituida de cantidades iguales de forsterita (Mg2Si04) y enstatita ( gSi03) .

La figura 2 (datos de McKelvy et al., Environ. Sci. Tech 38, 6897 (2004)) muestra los espectros de difracción de rayos X como una función del porcentaje en peso del hidroxilo separado durante el calentamiento de materia prima de lizardita (Mg3Si205 (OH) 4 ) . Se producen muestras de meta-lizardita por calentamiento a 2°C/min en el intervalo desde 20°C hasta 1100°C y después enfriamiento rápidamente para aislar los minerales deseados a cada temperatura, indicado como Tactivación- Se llevó a cabo el análisis TGA/DTA bajo helio utilizando el sistema de análisis térmico Setaram TG92 (Setaram Instrumentation, Caluire, Francia) . Las composiciones de hidróxido residuales para los materiales de meta-serpentina producidos se determinaron por pérdida de peso. Los patrones de difracción en polvo de rayos X se obtuvieron para cada uno de los materiales resultantes utilizando un difractómetro de rayos X Rigaku D/MAX-IIB con radiación Cu KR (Rigaku Americas Corporation, The oodlands, TX) . Asi, para TactiVación de 20°C no se separaron grupos hidroxilo de la materia prima de lizardita (100% en peso de los grupos hidroxilo permanecieron) y el espectro de difracción por rayos X es característico de la lizardita. Para TactiVación de 1,100°C 100% en peso de los grupos hidroxilo de lizardita se separaron para formar un mineral anhidro. Para TactiVaci6n de 550°C a 795°C que corresponde a 74% en peso a 1% en peso de grupos hidroxilo remanentes, respectivamente, el patrón de difracción de rayos X muestra una presencia cada vez menor de características 200 debido a lizardita y una presencia cada vez mayor de una característica amplia 202 debido a una fase "amorfa" entre 2T de 15 a 40 que se observa en la figura 3. Un rasgo 204 adicional designado como la fase de serpentina incrementa desde Tactivación de 20°C a más de 600°C y después comienza a disminuir. Los rasgos 206 cristalinos se observan para muestra con Tactivación de 1100 °C. Para Tactivación de 610 °C a 750 °C, se muestra reactividad C02 fuerte por las diversas muestras de meta-lizardita como se infiere por su reacción en solución acuosa estándar (1M NaCl + 0.64 NaHC03) a PC02 ~ 15.86 kPa (2300 psi) a temperaturas que varían de 100°C a 125°C. Como se observa en la figura 2, estas muestras contienen 4-17% de hidróxido residual. Se forma una muestra moderadamente reactiva a TactiVaCión de 580°C (temperatura de reacción de 120 °C) y se forma una muestra no reactiva a Tactivación de 20 °C (temperatura de reacción de 120 °C) .

La figura 3 (datos de McKelvy et al., Environ. Sci. Tech 38, 6897 (2004)) muestra la superposición de los rasgos 206 cristalinos en la parte superior del rasgo 202 de fase amorfa junto con la presencia de la fase 204 con mayor detalle. La dispersión de aire 300 también se observa en la figura 3. La figura 4 (datos de McKelvy et al., Environ. Sci. Tech 38, 6897 (2004)) ilustra la fracción de fase de lizardita, diversas meta-serpentinas y mineral anhidro que se muestra en la figura 2 como una función del contenido de hidroxilo residual (por ejemplo, % de OH) . La gráfica 400 muestra un incremento en la fase amorfa con deshidroxilación. La gráfica 402 muestra una disminución del contenido de lizardita cristalina con deshidroxilación. La gráfica 404 muestra un incremento y una disminución subsecuente en la fase conforma avanza la deshidroxilación. De manera colectiva, los datos en la figura 2 y la figura 4 indican que el grado de reactividad de la lizardita "tostada" se correlaciona con la cantidad de fase a generada durante la deshidroxilación.

En algunas modalidades, óxidos de metal diferentes de óxidos de magnesio y silicato de magnesio (considerados en la presente que son óxidos de metal) se separan de la materia prima activada antes de reacción con dióxido de carbono. La separación de los óxidos de metal, además del óxido de magnesio y el silicato de magnesio, se puede realizar después de activación para producir una corriente de materia prima activada residual más rica en óxido de magnesio y silicato de magnesio y con cantidades reducidas de otros óxidos de metal antes de reacción con dióxido de carbono. La separación de los otros óxidos de metal reduce sustancialmente los requerimientos de proceso posterior. Los óxidos de metal que se pueden separar en este procedimiento incluyen óxidos de uno o más de hierro, silicio, aluminio, manganeso, cromo, níquel, titanio, cobre, potasio, fósforo, calcio y sodio. Los óxidos que son de poco valor comercial tales como los de silicio y aluminio o los óxidos que están presentes en cantidades insuficientes para ser de valor comercial tales como los de potasio, fósforo y sodio se pueden extraer del proceso para desecho como desperdicio. Los óxidos de metal de valor comercial suficiente contenidos en la materia prima también se pueden recuperar de la corriente separada después de activación térmica rápida. Los minerales pueden incluir los óxidos de hierro, cromo, níquel y manganeso.

De esta manera, la separación de sílice y otros óxidos de metal después de la activación térmica reduce los requerimientos de procedimiento posteriores y los costos mientras que la recuperación de los óxidos de metal valiosos proporciona una corriente de ingresos. El procedimiento general de esta manera se vuelve económicamente más competitivo con otras formas de captación de dióxido de carbono.

La separación de los óxidos de metal excluye por lo menos sustancialmente al óxido de magnesio y silicato de magnesio después de activación térmica rápida se puede obtener por diversos medios de separación tal como separación por densidad o gravedad, separación centrífuga, flotación, filtración, separación magnética, separación electrostática o cualquier combinación de las mismas. Otras tecnologías de separación por densidad incluyen procesos que utilizan espirales, recipientes de sedimentación bloqueados, ciclones, hidrociclones y cualquier combinación de los mismos. La combinación de separación por densidad y separación magnética puede ser benéfico, por ejemplo, para recuperación y concentración de mena de hierro en particular.

Se entenderá por aquellos expertos en el ámbito que los procedimientos de separación tienen eficiencias de separación asociadas y por lo tanto invariablemente resultan en separación imperfecta y por lo tanto llevan de manera intrínseca cierta porción de los componentes que se van a separar en la otra corriente separada. Por ejemplo, una proporción de los óxidos de metal que van a ser separados de la corriente de materia prima activada residual invariablemente será incluida en la corriente de materia prima activada residual y viceversa. Cierta proporción de óxido de magnesio y/o silicato de magnesio de esta manera se puede perder en las corrientes de óxido de metal separadas. No obstante, el objetivo es retener sustancialmente la proporción más grande de óxido de magnesio y silicato de magnesio en la corriente de materia prima activada residual. Por lo tanto los óxidos de metal, excluyendo por lo menos sustancialmente al óxido de magnesio y silicato de magnesio se separan de la materia prima activada residual después de activación térmica rápida. Como se utiliza en la presente, "excluyendo por lo menos sustancialmente óxido de magnesio y silicato de magnesio" se refiere a excluir por lo menos 50% del óxido de magnesio y silicato de magnesio total presente originalmente en la materia prima activada después de activación térmica rápida. Así, por lo menos 50% del óxido de magnesio y silicato de magnesio es retenido en la corriente de materia prima activada residual. En algunos casos, una proporción mayor del óxido de magnesio y silicato de magnesio es retenida en la corriente de materia prima activada residual (por ejemplo, por lo menos 75% en peso) .

El uso de separación por densidad puede permitir que los óxidos de metal de menor valor económico se separen en una corriente de baja densidad mientras que también se separan los óxidos de metal de valor económico mayor en una corriente de alta densidad. La corriente de materia prima activada residual que contiene la mayor parte del óxido de magnesio y silicato de magnesio presentes originalmente forma una corriente de densidad intermedia para el proceso subsecuente de conversión a carbonato de magnesio.

La materia prima activada residual puede poner en contacto subsecuentemente con dióxido de carbono para formar carbonato de magnesio. En algunos casos, la materia prima activada residual se pone en contacto con dióxido de carbono gaseoso supercritico, licuado o a alta presión para formar carbonato de magnesio al reaccionar sustancialmente la totalidad del dióxido de carbono con la materia prima en exceso. De la manera en que se utiliza en la presente, el término "alta presión" se refiere a presiones que exceden de 5 bar (por ejemplo, que exceden de 50 bar) .

Los siguientes ejemplos no limitantes se proporcionan para ilustración.

EJEMPLO 1 La figura 5 muestra una vista esquemática de un aparato 500 experimental utilizado para someter muestras de lizardita a tratamiento térmico rápido. Una cantidad de 20 muestras de lizardita con un tamaño de partícula promedio de 38 ym se someten a tratamiento térmico rápido a alta temperatura en un horno 502 de tubo de alta temperatura de zona única, controlada (Lindberg Model HTF55122A; Lindberg/MPH, Riverside, MI) para proporcionar meta-lizardita tratada "instantáneamente". Las muestras se introducen a través del tubo 504 en el horno en recipientes 506 de muestra de platino. Se utiliza un yugo 508 magnético para insertar y extraer materiales de muestra de la zona caliente, la cual se mantiene a una temperatura entre 1000°C y 1100°C. El control de flujo de gas y el burbujeador 510 se acoplan al horno 502 de tubo. Las muestras se insertan rápidamente (por ejemplo, 0.3 seg a 0.5 seg) para proporcionar tasas de calentamiento instantánea promedio (dT(dt) entre 2000°C/seg y ~3300°C/seg y después se mantienen en la temperatura de hornos de tubo interna durante varios tiempos en un intervalo de 1-160 segundos.

El tiempo de exposición de las muestras se muestra a continuación: Serie A: 1 seg, 2 seg, 3 seg, 5 seg, 10 seg, 20 seg, 30 seg Serie B: 40 seg, 80 seg, 160 seg Serie C: 10 seg, 12 seg, 14 seg, 16 seg, 18 seg,. 20 seg Serie D: 10 seg, 11 seg, 12 seg, 13 seg. Después de tratamiento con calor, los estudios de difracción por rayos X en polvo se realizaron en las muestras en un espectrómetro SIEMENS XRD (SIEMENS USA) con un tiempo de exploración de aproximadamente 2 horas por muestra .

La figura 6 muestra los espectros de difracción de rayos X 600, 602, 604, 606, 608, 610, 612 y 614 para las muestras con tiempos de exposición de 10 seg, 12 seg, 14 seg, 16 seg, 18 seg, 20 seg, 30 seg y 40 seg, respectivamente. La gráfica 600 muestra datos de la muestra con un tiempo de exposición de 10 seg, es característica de lizardita. La gráfica 614, muestra datos de la muestra con un tiempo de exposición de 40 seg es característica de forsterita. De esta manera, la deshidroxilación de lizardita para formar un mineral anhidro se muestra que se produce en menos de 1 minuto con una temperatura final o pico de por lo menos 1000°C.

El tratamiento térmico rápido de las muestras con un tiempo de exposición de por lo menos 40 seg no indica formación de enstatita. Se considera que el producto no forsterítico es una fase amorfa o un análogo de rankinita (Ca3Si207) "metaestable" con una fórmula química de g3SÍ207, como se muestra en la figura 7. La gráfica 800 en la figura 8 muestra el espectro de difracción de rayos X en la muestra expuesta a 1000 °C durante 160 seg. La gráfica 802 es un espectro calculado para la fase de análogo de rakinita propuesto en base en una estructura al equilibrio obtenida a partir de simulaciones de teoría funcional de densidad (DFT) indicando el posible origen de rasgos no forsterísticos .

La caracterización SEM de muestras de meta-lizardita tratadas instantáneamente se realiza con un microscopio electrónico de exploración ambiental de alta resolución FEI SL30 (FEI Company, Hillsboro OR) , capaz de exploración sistemática a escala submicrométrica para materiales no conductores. Las imágenes SEM indican aglomeración de partículas sometidas a exposición prolongada (por ejemplo, 40 seg) a alta temperatura (1000°C) . Los ejemplos de las imágenes SEM se muestran desde la figura 9 a la figura 12. La figura 9 muestra imágenes SEM a 100X, 500X y 1200X de la muestra con un tiempo de exposición de 12 seg. La figura 10 muestra imágenes SEM a 3,500X, 10,000X y 35,000X de la muestra con un tiempo de exposición de 12 seg. La figura 11 muestra imágenes SEM a 100X, 500X y 2000X de la muestra con un tiempo de exposición de 40 seg. La figura 12 muestra imágenes SEM a 6500X, 12,000X y 35,000X de la muestra con un tiempo de exposición de 40 seg. La figura 12 también indica la presencia de rasgos morfológicos a escala submicrométrica posiblemente asociados con la evolución y flujo de agua durante la deshidroxidación .

EJEMPLO 2 El mineral de lizardita se muele a un tamaño de partícula promedio de 38 µp?, lo que proporciona un producto grisáceo/verde con la consistencia de harina para hornear. Las partículas de lizardita se someten a tratamiento instantáneo a 1000°C durante 12 seg a una tasa de calentamiento instantáneo promedio de aproximadamente 5000°C/seg en un horno radial para proporcionar un polvo anhidro parduzco, como se conforma por análisis termogravimétrico. El análisis por rayos X de las muestras tratadas indican que la deshidratación rápida transforma la retícula mineral desde la de lizardita ( g3SÍ2C>5 (OH) 4) a olivina ( g2Si04) .

La figura 13 muestra datos de rayos X de baja resolución y datos de sincrotrón de alta resolución a partir de lizardita tratada instantáneamente que no ha reaccionado y que ha reaccionado, preparada como se describe en el ejemplo 2. La gráfica 1300 muestra datos de rayos X de baja resolución de la lizardita tratada instantáneamente que no ha reaccionado. La gráfica 1302 {linea continua) muestra los datos de rayos X de alta resolución de la lizardita tratada instantáneamente que no ha reaccionado. La gráfica 1304 (linea de puntos) muestra los datos de rayos X de alta resolución de la lizardita tratada instantáneamente en una solución acuosa "estándar" de C02 supercritico (Pco2 = 15,85 kPa (2300 psi)) y alta temperatura (T = 100°C) tomada por un sincrotrón minutos después de establecer las condiciones de reacción. Los picos 1306 muestran la presencia de MgC03 que resulta de la captación de C02 por la lizardita tratada instantáneamente (por ejemplo, olivina) indicando que se ha producido carbonatación (es decir, la conversión de C02 en un carbonato mineral sólido) .

Se han descrito numerosas modalidades. No obstante, se entenderá que se pueden realizar diversas modificaciones, mejoras y otras modalidades en base en lo descrito e ilustrado en esta descripción.

Claims (22)

REIVINDICACIONES

1. Método para incrementar la actividad de un silicato de magnesio hidratado con respecto a la captación de dióxido de carbono por carbonatación mineral, el método comprende calentamiento rápido del silicato de magnesio hidratado .

2. Método como se describe en la reivindicación 1, en donde el calentamiento rápido del silicato de magnesio hidratado comprende calentar una ¦cantidad de partículas de silicato de magnesio hidratado con condiciones de llama para deshidroxilar sustancialmente las partículas.

3. Método como se describe en la reivindicación 2, en donde el calentamiento de la cantidad de partículas de silicato de magnesio hidratado comprende: mover la cantidad de partículas desde el exterior de las condiciones de llama al interior de las condiciones de llama para someter las partículas a un incremento en la temperatura ambiente de por lo menos 400°C en menos de 10 segundos; y calentar las partículas en las condiciones de llama durante menos de 10 minutos a una temperatura de partícula pico promedio Lpara proporcionar una composición y; extraer la composición de las condiciones de llama.

4. Método como se describe en la reivindicación 3, en donde las partículas se someten a un incremento en la temperatura ambiente de por lo menos 400 °C en menos de 1 segundo y las partículas se calientan en las condiciones de llama durante menos de 2 minutos a una temperatura de partícula pico promedio para proporcionar la composición.

5. Método como se describe en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el calentamiento proporciona una temperatura pico promedio con respecto al silicato de magnesio hidratado de por lo menos 600 °C.

6. Método como se describe en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el calentamiento se produce en un horno encendido por combustible hidrocarbonoso, un calcinador, un calcinador de lecho fluidizado o en un arco de plasma o eléctrico.

7. Método como se describe en cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en donde la composición comprende forsterita.

8. Método para la captación de dióxido de carbono, el método comprende: formar una materia prima activada por calentamiento rápido de un silicato de magnesio hidratado; y poner en contacto la materia prima activada con dióxido de carbono para formar carbonato de magnesio .

9. Método como se describe en la reivindicación 8, en donde el calentamiento rápido del silicato de magnesio hidratado comprende calentar una cantidad de partículas de silicato de magnesio hidratado con condiciones de llama para deshidroxilar sustancialmente las partículas.

10. Método como se describe en la reivindicación 9, en donde el calentamiento de la cantidad de partículas de silicato de magnesio hidratado comprende: mover la cantidad de partículas desde el exterior de las condiciones de llama al interior de las condiciones de llama para someter las partículas a un incremento en la temperatura ambiente de por lo menos 400°C en menos de 10 segundos; calentar las partículas en las condiciones de llama durante menos de 10 minutos a una temperatura de partícula pico promedio para proporcionar la materia prima activada; y retirar la materia prima activada de las condiciones de llama.

11. Método como se describe en la reivindicación 10, en donde las partículas se someten a un incremento en la temperatura ambiente de por lo menos 400 °C en menos de 1 segundo y las partículas se calientan en las condiciones de llama durante menos de 2 minutos a una temperatura de partícula pico promedio para proporcionar la materia prima activada.

12. Método como se describe en cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en donde el calentamiento alcanza una temperatura pico promedio con respecto al silicato de magnesio hidratado de por lo menos 600°C.

13. Método como se describe en cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, en donde el calentamiento se produce en un horno encendido por combustible hidrocarbonoso, un calcinador, un calcinador de lecho fluidizado o en un arco de plasma o eléctrico.

1 . Método como se describe en cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, en donde la materia prima activada comprende forsterita.

15. Método como se describe en cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14, que comprende además enfriar la materia prima activada por una duración de tiempo antes de poner en contacto la materia prima activada con el dióxido de carbono.

16. Método como se describe en la reivindicación 15, que comprende además exponer la materia prima activada a dióxido de carbono gaseoso húmedo durante por lo menos parte del tiempo en que se enfría la materia prima activada.

17. Método como se describe en cualquiera de las reivindicaciones 8 a 16, que comprende además combinar un solvente y la materia prima activada para formar una suspensión, lechada o solución.

18. Método como se describe en la reivindicación 17, en donde el solvente es agua y la suspensión, lechada o solución es acuosa.

19. Método como se describe en cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14, que comprende además: separar óxidos de metal diferentes de óxido de magnesio y silicato de magnesio de la materia prima activada para formar una materia prima activada residual más rica en óxido de magnesio y silicato de magnesio en comparación con la materia prima activada; enfriar la materia prima activada residual durante un periodo de tiempo; y poner en contacto la materia prima activada residual con dióxido de carbono para formar carbonato de magnesio.

20. Método como se describe en la reivindicación 19, que comprende además exponer la materia prima activada residual a dióxido de carbono gaseoso húmedo durante por lo menos parte del tiempo en que se enfria la materia prima activada residual.

21. Método como se describe en la reivindicación 19 ó 20, que comprende además combinar un solvente y la materia prima activada o la materia prima activada residual para formar una suspensión, lechada o solución.

22. Método como se describe en la reivindicación 21, en donde el solvente es agua y la suspensión, lechada o solución es acuosa.