CA2469974A1 - Use of alkaline materials for the sequestering and recycling of carbon dioxide - Google Patents
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Abstract
Un procédé et un appareil de séquestration du CO2 à partir d'une source de CO2. Le procédé de séquestration du CO2 consiste à dissoudre une source de CO2 en condition alcaline de manière à obtenir des ions carbonate (CO3 2-) et de réagir les ions carbonates avec des cations formant ainsi des carbonates. Le procédé peut êt re effectué à partir de sous-produits et/ou résidus industriels à pouvoir alcal in et riches en oxydes tel les scories d'aciéries, le béton concassé, les boues rouges d'alumineries, les poussières de cimenteries permettant ainsi la revalorisation de ce type de résidus tout en diminuant les émissions de CO2.A method and apparatus for sequestering CO2 from a source of CO2. The process of CO2 sequestration consists of dissolving a source of CO2 under alkaline conditions so as to obtain carbonate ions (CO3 2-) and to react the carbonate ions with cations thus forming carbonates. The process can be carried out using by-products and / or industrial residues with alkali power and rich in oxides such as steel slag, crushed concrete, red sludge from aluminum smelters, cement factory dust thus allowing upgrading this type of residue while reducing CO2 emissions.
Description
UTILISATION DE MATÉRIAUX Ä POUVOIR ALCALIN POUR LA SÉQUESTRATION
La présente invention se rapporte à un procédé utilisant des matériaux à
pouvoir alcalin pour la séquestration et le recyclage du C02 (dioxyde de carbone).
Plus particulièrement, la présente invention se rapporte à un procédé et un appareil servant à la séquestration du C02 à partir de matériaux ou d'un mélange de matériaux à
pouvoir alcalin permettant la formation de carbonates.
Aujourd'hui, il est bien admis que la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) à moyen et à long terme est un enjeu mondial majeur (Herzog et al., 2003). En avril 1995, le Canada a publié son plan d'action national sur le changement climatique (PANCC) et, en décembre 1997, le Canada s°est engagé dans le cadre du protocole de Kyoto à réduire de 6% ses émissions de GES en-dessous de leur niveau de et c e, d'ici 2 012. S i I a situation r este i nchangée, I es é missions d e G ES a tteindront environ 809 millions de tonnes d'ici 2012. L'objectif du Canada selon le Protocole de Kyoto est de limiter les émissions à 571 millions de tonnes d'ici 2012, ce qui équivaut à un écart d'environ 240 millions de tonnes de GES, émissions pour lesquelles il est urgent de trouver des solutions. II faut noter que le C02 est le principal gaz à effet de serre émis au Canada, il représentait 78% des émissions en 1999, soit 546 millions de tonnes (Reeve et Mercier, 2002; http:/lwww. climatechange.gc.ca; http:llwww.
nrcan.gc.caleslceoloutlookfr.pdf). Actuellement, au Québec comme au Canada, les industries n'ont à leur disposition aucune technologie de traitement fiable et économique pour répondre à leurs obligations en vertu du Protocole de Kyoto (http:/lwww.nrtee-trnee.ca; Reeve et Mercier, 2002; http://www.
climatechange.gc.ca).
Les technologies actuelles de récupération, de fixation et de séquestration du COZ
sont encore en cours de développement afin d'améliorer leur efficacité, leur fiabilité et leur coût (His et Arlie, 2002; Herzog S. 2001; Herzog et al. 1997). Afin de pallier cette situation, il est important de développer de nouveaux procédés répondant à ces critères.
II existe différentes technologies de récupération, de fixation et de séquestration du C02 (figures 1 et 2). Cependant, ces technologies ne sont pas encore applicables car USE OF MATERIALS - ALKALINE POWER FOR SEQUESTRATION
The present invention relates to a method using power alkaline for the sequestration and recycling of CO2 (carbon dioxide).
More particularly, the present invention relates to a method and a serving device the sequestration of C02 from materials or a mixture of materials to alkaline power allowing the formation of carbonates.
Today, it is well recognized that reducing greenhouse gas emissions Greenhouse (GHG) in the medium and long term is a major global issue (Herzog et al.
2003). In April 1995, Canada released its National Change Action Plan climatic (PANCC) and, in December 1997, Canada became involved in the protocol to reduce its GHG emissions by 6% below their level of by 2 012. If the situation is unchanged, the missions of G ES will have approximately 809 million tonnes by 2012. Canada's target according to the Protocol of Kyoto is to limit emissions to 571 million tonnes by 2012, which equivalent a difference of about 240 million tonnes of GHG emissions for which he is urgent to find solutions. It should be noted that C02 is the main gas effect greenhouse gas emissions in Canada, it accounted for 78% of emissions in 1999, 546 millions of tonnes (Reeve and Mercier, 2002; http: /www. climatechange.gc.ca; http: llwww.
nrcan.gc.caleslceoloutlookfr.pdf). Currently, in Quebec as in Canada, the industries have at their disposal no reliable processing technology and to meet their obligations under the Kyoto Protocol (http: /lwww.nrtee-trnee.ca, Reeve and Mercier, 2002, http: // www.
climatechange.gc.ca).
Current technologies for recovery, fixation and sequestration of COZ
are still under development to improve their efficiency, reliability and their cost (His and Arlie, 2002, Herzog S. 2001, Herzog et al 1997). In order to to overcome this situation, it is important to develop new processes that respond to these criteria.
There are different technologies for recovery, fixation and sequestration of CO 2 (Figures 1 and 2). However, these technologies are not yet applicable because
2 elles devront être. améliorées en terme d'efficacité, fiabilité et coût (Herzog 2001;
Herzog et al. 1997; Reeve et Mercier, 2002; http:l/www. climatechange.gc.ca).
Plusieurs méthodes de séquestration du C02 atmosphérique ou provenant de la combustion de produits organiques ont été explorées (Lackner, K.S. et al., Energy, vol.
20, No.11 p.1153-1170, 1995). La séquestration géologique du C02 est une des technologies des plus prometteuses car elle permettra de séquestrer, à moindre coût, une forte proportion de C02. Le processus de séquestration du C02 par des minéraux riches en calcium, magnésium, sodium, silicium tel la serpentine, l'olivine et la brucite, produit des carbonates de façon naturelle. Le processus de carbonation naturel est cependant très long (plus de 100 000 ans). Certaines expérimentations ont donc été
tentëes afin d'optimiser le processus de conversion du C02 dans la forme solide et stable qu'est le carbonate.
Ainsi, de nombreux autres travaux de recherche et de développement sont en cours notamment pour réduire le coût du traitement qui est actuellement de l'ordre de 50 $
US/tonne de C02, et pour assurer la sûreté à long terme des stockages dans les formations géologiques (Herzog 2001; His et Arlie, 2003). En effet, comme le C02 est un agent asphyxiant et est plus lourd que l'air, if faut appliquer les normes de sécurité
les plus strictes pour éviter les fuites lentes ou la libération soudaine à
grande échelle résultant de phénomènes sismiques. II convient également de protéger les nappes phréatiques (His et Arlie, 2003).
Au Canada, cinq types de technologies, encore peu efficaces et coûteuses, sont en cours de développement par différents groupes: la séquestration dans I°océan, l'entreposage dans des puits de pétrole et de gaz naturel épuisés, la dissolution dans les nappes phréatiques, la fixation algale et la fixation enzymatique (Reeve et Mercier, 2002; http://www. climatechange.gc.ca). Dans le cas par exemple de la compagnie C02 Solution (Ste-Foy, Québec), deux procédés ont été développés: un réacteur enzymatique et un photoréacteur producteur d'algues. L'enzyme isolée par cette compagnie malgré sa production par clonage est excessivement coûteux, en moyenne 150 $/g. Quant au photoréacteur, la culture de la spiruline, l'algue choisie par cette compagnie, est très contraignante et il faut trouver un débouché aux quantités significatives d'algues produites sachant qu'une tonne de C02 fixée génère en moyenne 0,6 tonne de spiruline. De plus, la culture d'algue est relativement complexe. 2 they will have to be. improved in terms of efficiency, reliability and cost (Herzog 2001;
Herzog et al. 1997; Reeve and Mercier, 2002; http: l / www. climatechange.gc.ca).
Several methods of sequestering atmospheric CO2 or coming from the combustion of organic products have been explored (Lackner, KS et al.
Energy, vol.
20, No.11 p.1153-1170, 1995). The geological sequestration of CO2 is one of the promising technologies because it will allow sequestration, at the least cost, a high proportion of CO2. The process of C02 sequestration by minerals rich in calcium, magnesium, sodium, silicon such as serpentine, olivine and brucite, produces carbonates in a natural way. The natural carbonation process is however very long (more than 100,000 years). Some experiments have therefore summer tempted to optimize the process of converting C02 into form strong and stable that is carbonate.
Thus, many other research and development work is in progress.
Classes in particular to reduce the cost of treatment that is currently of the order $ 50 US / tonne C02, and to ensure the long-term safety of geological formations (Herzog 2001, His and Arlie, 2003). Indeed, as the C02 is an asphyxiating agent and is heavier than air, the standards must be applied of security the most stringent to avoid slow leaks or sudden release to large scale resulting from seismic phenomena. It is also necessary to protect tablecloths phreatic (His and Arlie, 2003).
In Canada, five types of technologies, which are still not very efficient and costly, are in development course by different groups: sequestration in I ° ocean storage in depleted oil and natural gas wells, the dissolution in groundwater, algal binding and enzymatic fixation (Reeve and Mercier, 2002; http: // www. climatechange.gc.ca). In the case for example of the company C02 Solution (Ste-Foy, Quebec), two processes have been developed: a reactor enzymatic and a photoreactor producing algae. The enzyme isolated by this despite its production by cloning is excessively expensive, average $ 150 / g. As for the photoreactor, the cultivation of spirulina, the chosen alga by this company, is very restrictive and we must find an outlet for the quantities significant amount of algae produced knowing that one tonne of fixed CO2 generates in average 0.6 tons of spirulina. In addition, the seaweed culture is relatively complex.
3 En effet, pour assurer un bon développement de la spiruline, il faut un apport continu et précis en nutriments et en lumière. Actuellement, ces procédés ne sont pas viables sachant qu'il existe déjà des technologies plus performantes permettant de traiter en moyenne 1 million de tonne de C02 par an à un coût moyen de 50 $/tonne par exemple par séquestration du C02 dans des couches aquifères salines à la plate-forme en mer de gaz naturel de Sleipner en mer du Nord (His et Arlie, 2003).
Inversement, la réaction de certains carbonates métalliques avec le C02 a également été explorée (demande de brevet publiée sous le No. :US200110022952 de Rau et colt.). Ce procédé utilise le CaC03 (ex. pierre à chaux) pour séquestrer le C02 et former du calcium et du bicarbonate. Ainsi, les produits de ce procédé sont, par exemple, des cations métalliques, du bicarbonate en solution et des sels de métaux anhydres. Ce type de procédé exige des conditions spécifiques contraignantes de température, de pression et d'acidité et est donc complexe et coûteux. De plus, mise à part la pierre à chaux, il existe très peu de matériau contenant une forte proportion de CaC03. Enfin, ce type de procédé génère un effluent de forte alcalinité qui doit être neutralisé avant son rejet. Globalement, le procédé décrit par Rau et collaborateur semble peu efficace et coûteux.
La présente invention se rapporte à un procédé de séquestration du COz peu coûteux et permettant la séquestration du CO2en conditions alcalines.
Plus particulièrement, la présente invention se rapporte à un procédé de séquestration du C02 à partir d'une source de CO2 qui peut comprendre les étapes de ;
- dissoudre une source de C02 dans une solution aqueuse alcaline (solution a Icaline d'hydratation) d e m anière à o btenir d es i ons carbonate (C032-), et - réagir les ions carbonates avec des cations pouvant se lier à un groupement carbonate pour former des carbonates.
La présente invention se rapporte, de plus, à l'utilisation de matériaux et/ou de mélange de matériaux à pouvoir alcalin pour la séquestration et le recyclage du C02.
La présente invention se rapporte également à un procédé de séquestration et de recyclage d u C 02 a tmosphérique e flou d es rejets I iquides e flou gazeux e n u tilisant 3 Indeed, to ensure a good development of spirulina, it takes a contribution continued and accurate in nutrients and light. Currently, these methods are not viable aware that there are already better technologies for treat in average of 1 million tons of CO2 per year at an average cost of $ 50 / tonne example by sequestering CO2 in saline aquifers at the platform.
offshore form of Sleipner natural gas in the North Sea (His and Arlie, 2003).
Conversely, the reaction of some metal carbonates with CO2 also has been explored (patent application published under No .: US200110022952 to Rau and coli.). This process uses CaCO3 (eg limestone) to sequester the C02 and form calcium and bicarbonate. Thus, the products of this process are, by metal cations, bicarbonate in solution and salts of metals anhydrous. This type of process requires specific binding conditions of temperature, pressure and acidity and is therefore complex and expensive. Of more, put apart from limestone, there is very little material containing a strong proportion of CaCO3. Finally, this type of process generates an effluent of high alkalinity which must be neutralized before rejection. Overall, the process described by Rau and collaborater seems inefficient and expensive.
The present invention relates to a method for sequestering COz slightly expensive and allowing the sequestration of CO2 in alkaline conditions.
More particularly, the present invention relates to a method of sequestration CO2 from a source of CO2 that can include the steps of;
dissolving a source of CO 2 in an aqueous alkaline solution (Icaline hydration solution) carbonate (C032-), and - react the carbonate ions with cations that can bind to a carbonate group to form carbonates.
The present invention further relates to the use of materials and / or of mixture of alkaline materials for sequestration and recycling CO2.
The present invention also relates to a method of sequestering and of recirculation of atmospheric CO2 e fuzzy of liquid and gaseous effluents e nil using
4 des matériaux etlou des mélanges de matériaux à pouvoir alcalin et riches en oxydes.
Le procédé de la présente invention peut permettre la formation (production) de carbonates (ex. carbonates métalliques) à partir de C02 et d'un ou de plusieurs matériaux à pouvoir alcalin et riches en oxydes.
De plus, la présente invention se rapporte à un procédé de séquestration et de recyclage d u C OZ a tmosphérique e flou d es rejets I iquides e flou gazeux e n u tilisant des matériaux à pouvoir alcalin et riches en oxydes. Le procédé de la présente invention peut permettre la formation (procédé de production) de carbonates (ex.
carbonates métalliques) à partir de C02 et d'au moins un matériau riche en oxydes en conditions alcalines. Ainsi, la présente invention se rapporte également à un procédé
permettant à la séquestration du CO2 à partir des matériaux à pouvoir alcalin et riches en oxydes et permettant la formation de carbonates.
La présente invention se rapporte également à un procédé de séquestration du quï peut comprendre les étapes de;
-ajouter une solution d'hydratation à un matériau pouvant libérer des ions hydroxydes lors de son hydratation afin de former une solution aqueuse alcaline, -dissoudre une source de COZ dans la solution aqueuse alcaline de manière à obtenir des ions carbonate (C032~), et - réagir les ions carbonates avec une source de cations X"+ pouvant se lier à un groupement carbonate pour former des carbonates selon la formule X(C03)",2 ou n est un entier positif.
De plus, la présente invention se rapporte à un procédé de séquestration du COZ
pouvant comprendre les étapes de;
- ajouter une solution d'hydratation à un matériau (ou un mélange de matériaux) pouvant libérer des ions hydroxydes et des Gâtions X"+ I ors de son hydratation afin de former une solution aqueuse alcaline contenant des cations X"+, - dissoudre une source de C02 dans la solution aqueuse alcaline de manière à obtenir des ions carbonate (C032-), et 4 materials and / or mixtures of alkaline and oxides.
The process of the present invention can allow formation (production) of carbonates (eg metal carbonates) from C02 and from one or many materials with alkaline power and rich in oxides.
In addition, the present invention relates to a method of sequestering and recycling of atmospheric CO2 and fuzziness of liquid and gaseous effluents nil using materials with alkaline power and rich in oxides. The process of this invention can allow the formation (production process) of carbonates (ex.
metal carbonates) from CO 2 and at least one material rich in oxides in alkaline conditions. Thus, the present invention also relates to a process allowing CO2 sequestration from alkaline materials and rich in oxides and allowing the formation of carbonates.
The present invention also relates to a method of sequestering the what can understand the steps of;
-add a hydration solution to a material that can release ions hydroxides during its hydration to form an aqueous solution alkaline, -dissolving a source of COZ in the aqueous alkaline solution of to obtain carbonate ions (C032 ~), and - react the carbonate ions with a source of X "+ cations that can bind to a carbonate group to form carbonates according to the formula X (C03) ", 2 or n is a positive integer.
In addition, the present invention relates to a method of sequestering the COZ
may include the steps of;
- add a hydration solution to a material (or a mixture of materials) that can release hydroxide ions and X + ions from its hydration to form an alkaline aqueous solution containing X "+ cations, dissolving a source of CO 2 in the aqueous alkaline solution of to obtain carbonate ions (C032-), and
5 - réagir les ions carbonates avec les cations X"+ pouvant se lier à un groupement carbonate pour former des carbonates selon la formule X(CO3)nl2 ou n est un entier positif.
La présente invention se rapporte de plus, à un procédé de séquestration du pouvant comprendre les étapes de;
- ajouter une solution d'hydratation à un matériau (ou un mélange de matériaux) à pouvoir alcalin et riche en oxyde de manière à former une solution aqueuse alcaline, - dissoudre une source de C02 dans la solution aqueuse alcaline de manière à obtenir des ions carbonate (C032-), et réagir les ions carbonates avec des cations pouvant se lier à un groupement carbonate pour former des carbonates.
Selon la présente invention, les cations peuvent étre des cations X"+ pouvant se lier à
un groupement carbonate pour former des carbonates selon la formule X(C03)"~z et où
n est un entier positif. X peut être choisi, par exemple, du groupe comprenant Fe, Ca, Si, Mg, AI, Na, Ti, ou autre et une combinaison de différents éléments.
Selon la présente invention, des cations peuvent étre ajoutés à la solution aqueuse alcaline ou encore les cations peuvent déjà être compris dans la solution aqueuse alcaline.
Le procédé peut également comprendre une étape de récupération des carbonates.
Selon la présente invention, les cations peuvent étre choisis, par exemple, du groupe comprenant les métaux alcalins et les métaux alcalino-terreux du tableau périodiques des éléments. Selon la présente invention, l'oxyde peut étre choisi, par exemple, du groupe comprenant FeO, CaO, SiO2, MgO, AI203, Na20, TiO2, etc.
Toujours selon la présente invention, la source de C02 peut provenir de l'air (C02 atmosphérique), de rejets liquides contenant du C02 ou de rejets gazeux contenant du C02 ou autre. Lors du procédé, la source de C02 peut être rejetée une fois appauvrie en C02. 5 - react the carbonate ions with the X "+ cations that can bind to a carbonate group to form carbonates according to the formula X (CO3) n12 or n is a positive integer.
The present invention further relates to a method of sequestering the may include the steps of;
- add a hydration solution to a material (or a mixture of materials) with an alkaline and oxide-rich power so as to form a alkaline aqueous solution, dissolving a source of CO 2 in the aqueous alkaline solution of to obtain carbonate ions (C032-), and react the carbonate ions with cations that can bind to a carbonate group to form carbonates.
According to the present invention, the cations can be X "+ cations which can to bind to a carbonate group to form carbonates according to the formula X (C03) "~ z and or n is a positive integer. X can be chosen, for example, from the group comprising Fe, Ca, If, Mg, AI, Na, Ti, or other and a combination of different elements.
According to the present invention, cations may be added to the solution aqueous alkaline or cations can already be included in the solution aqueous alkaline.
The process may also include a carbonate recovery step.
According to the present invention, the cations can be chosen, for example, from group including alkali metals and alkaline earth metals in the table periodical elements. According to the present invention, the oxide can be selected by example, group comprising FeO, CaO, SiO2, MgO, Al2O3, Na2O, TiO2, etc.
Still according to the present invention, the CO 2 source can come from the air (C02 atmospheric), liquid discharges containing CO2 or gaseous discharges containing C02 or other. During the process, the CO 2 source can be rejected once impoverished in C02.
6 Ainsi, un des aspects de la présente invention se rapporte à un procédé
pouvant être composé de deux étapes.
La première étape consiste en l'hydratation d'un matériau (ou un mélange ou une combinaison de matériaux) à pouvoir alcalin et riche en oxydes. L'hydratation permet la production de groupements hydroxydes à partir des oxydes composant les matériaux utilisés. L'hydratation permet également de générer un ou plusieurs cations nécessaires à la formation de carbonates X(C03}"~2.
Cette étape peut être résumée par l'équation suivante Matériau-XO + n12 H20 -~ X"+ + nOH- ; n étant un entier positif.
La solution aqueuse devient donc une solution aqueuse alcaline contenant par exemple des ions X"+.
La seconde étape consiste en la dissolution du C02 dans la solution aqueuse alcaline.
Cette étape peut être résumée par l'équation suivante n C02 + n12 H20 ~ n H+ + n/2 C032-La fixation (séquestration) du C02 selon les conditions décrites ci haut peut donc se résumée par l'équation suivante X"+ + nOH- + nH+ + n/2 C032- ~ X(C03}",2 + nH2O
II est entendu que ces différentes étapes peuvent s'effectuées de façon séquentielles ou de façon simultanées (quasi-simultanées).
Le matériau à pouvoir alcalin et riche en oxydes (matériau-XO) peut être, par exemple, un matériau où X peut représenter n'importe quel élément ou combinaison d'éléments pouvant se lier à un groupement carbonate où un multiple (entier) d'un groupement carbonate et où au moins un des éléments est choisi du groupe des éléments chimiques IA, IIA, IIIA, 1VA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, ou VIIIB du tableau périodique et n est un entier positif déterminé de façon stoechiométrique. X
peut être 6 Thus, one aspect of the present invention relates to a method of can be composed of two stages.
The first step is the hydration of a material (or a mixture or a combination of materials) with alkaline power and rich in oxides. hydration allows the production of hydroxide groups from the oxides composing the used materials. Hydration also helps to generate one or more cation necessary for the formation of carbonates X (C03} "~ 2.
This step can be summarized by the following equation Material-XO + n12 H20 - ~ X "+ + nOH- n being a positive integer.
The aqueous solution thus becomes an aqueous alkaline solution containing by example X + ions.
The second step consists of the dissolution of CO2 in the aqueous solution alkaline.
This step can be summarized by the following equation n C02 + n12 H20 ~ n H + + n / 2 C032-The fixation (sequestration) of CO 2 according to the conditions described above can so get summarized by the following equation X "+ + nOH- + nH + + n / 2 C032- ~ X (C03)", 2 + nH2O
It is understood that these different steps can be carried out sequential or simultaneously (almost simultaneous).
The alkaline-rich and oxide-rich material (XO-material) can be, for example, example, a material where X can represent any element or combination items can bind to a carbonate group where a multiple (integer) of a group carbonate and where at least one of the elements is selected from the group of elements IA, IIA, IIIA, 1VA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, or VIIIB
board periodic and n is a positive integer determined stoichiometrically. x may be
7 par exemple un ou des métaux alcalins et/ou des métaux alcalino-terreux. X
peut être par exemple, Fe, Ca, Si, Mg, AI, Na; Ti, etc. La valence (n) des éléments du tableau périodique est connue dans l'art et correspond, par exemple, à la charge d'un ion exprimée par le nombre de charges élémentaires qu'il porte et qui prennent part à la réaction considérée. Une valence n+ représente la valence d'un élément chimique pouvant accepter un nombre n d'électrons. Par exemple la valence n+ du sodium est 1+. Le sodium peut donc s'associer avec le chlore dont la valence est 1- ayant donc un électron libres dans ses orbitales.
II est entendu dans la présente invention, que le C02 peut être hydraté
(dissout) par différentes méthodes connues dans l'art. Ainsi, le C02 peut être hydraté en passant, par exemple, un jet de gaz (contenant le C02) à travers une solution aqueuse alcaline dont la surface est augmentée par aérosol, atomisation etlou en faisant barboter un jet de gaz dans la solution aqueuse alcaline etlou encore en passant le jet de gaz au travers le matériau (ex. en particules) hydraté dans la solution aqueuse (devenue alcaline). Le jet de gaz peut entrer en contact avec la solution aqueuse de façon verticale, horizontale ou encore selon un angle quelconque. L'introduction du gaz peut s'effectuer à l'aide d'un compresseur ou d'un autre moyen (d'injection) connu dans l'art.
Le matériau peut se présenter sous plusieurs formes ou sous une granulométrie variable soit par exemple, sous forme solide (blocs, dalles, morceaux), sous forme liquide (contenant des particules en suspension, boue, etc.) sous forme de solution où
le matériau est déjà dissout dans un milieu aqueux, etc. Les particules de matériau peuvent être sous une forme et une grosseur variable ou uniforme (allant de fines particules à des particules grossières). Le matériau peut ëtre broyé, brisé, pilé ou modifié de telle manière à faciliter le procédé de la présente invention. La vitesse de réaction dépend de la surface de contact du matériau exposée à la solution.
Ainsi, plus la surface de contact est importante plus la réaction s'effectue rapidement. Donc, plus les particules de matériau sont fines, plus vite la réaction d'hydratation du matériau peut se produire. Les particules fines peuvent former une suspension ou une boue dans la solution aqueuse dépendamment de leur grosseur, de la vitesse d'agitation (si requis) où encore dépendamment du débit de circulation de la solution aqueuse. Ce type de particules peut être hydraté de façon efficace. Des particules trop fines, pourraient cependant créer un colmatage des équipements.
Cependant, 7 for example one or more alkali metals and / or alkaline earth metals. x may be for example, Fe, Ca, Si, Mg, Al, Na; Ti, etc. The valence (n) of the elements of the board periodical is known in the art and corresponds, for example, to the charge of a ion expressed by the number of elementary charges he bears and which take part in reaction considered. A valence n + represents the valence of an element chemical able to accept a number n of electrons. For example the sodium valence n +
is 1+. Sodium can therefore be associated with the chlorine whose valence is 1- having therefore a free electron in its orbitals.
It is understood in the present invention that CO2 can be hydrated (dissolved) by various methods known in the art. Thus, CO2 can be hydrated in Incidentally, for example, a jet of gas (containing CO2) through an aqueous solution alkaline whose surface is increased by aerosol, atomisation and / or by dabble a jet of gas in the aqueous alkaline solution and / or still passing the gas jet at through the material (eg particles) hydrated in the aqueous solution (now alkaline). The jet of gas can come into contact with the aqueous solution of way vertical, horizontal or at any angle. The introduction of gas can be done using a compressor or other known (injection) means in art.
The material can be in several forms or in a granulometry variable, for example, in solid form (blocks, slabs, pieces), under form liquid (containing suspended particles, sludge, etc.) in the form of solution where the material is already dissolved in an aqueous medium, etc. Particles of material may be in a variable or uniform form and size (ranging from fine particles to coarse particles). The material can be crushed, broken, pounded or modified in such a way as to facilitate the process of the present invention. The speed of reaction depends on the contact surface of the material exposed to the solution.
So, the greater the area of contact, the more the reaction takes place quickly. Therefore, the finer the particles of material, the faster the reaction hydration material can occur. Fine particles can form a suspension or a mud in the aqueous solution depending on their size, speed stirring (if required) or again depending on the circulation rate of the solution aqueous. This type of particles can be hydrated effectively. of the particles too thin, could however create a clogging of equipment.
However,
8 l'ajout d'un dispositif connu dans l'art, tel un pré-filtre pourrait éviter le colmatage par ce type de particules. La grosseur des particules peut être choisie, selon la quantité
de C02 à séquestrer et le type d'équipement utilisé. Le matériau peut également se retrouvé sous forme de lit de particules (lit percolant) et/ou d'empilement (de particules) etlou encore contenu dans un compartiment ressemblant à une unité
de filtration ou autre.
A mesure que le matériau est hydraté, la solution aqueuse devient de plus en plus alcaline. L'alcalinité de la solution peut étre évaluée par mesure du pH.
Lorsque le potentiel alcalin du matériau est épuisé, il est possible de rajouter du matériau frais à
l'intérieur de l'appareil, ou encore de remplacer le matériau résiduel par du matériau frais. Dans le cas où le matériau est inséré dans un récipient de type unité
de filtration, il est possible de changer l'unité de filtration pour une nouvelle unité
contenant du matériau frais. Le matériau (ou l'unité de filtration contenant le matériau) peut donc étre changé au besoin suite, par exemple, à une mesure du l'alcalinité de la solution aqueuse (par un indicateur de pH), par une mesure de la quantité d'ions X~+, ou après une période de temps définie selon les capacités de l'appareil (ou encore selon la capacité de l'unité de filtration), son rythme d'utilisation, etc. La solution aqueuse peut étre d'origine variée ainsi, la solution aqueuse peut ëtre, par exemple, de l'eau du robinet, de l'eau salée (ex. eau de mer), de l'eau douce (ex.
eau de lacs), de l'eau saumâtre, une eau contenant n'importe quelle molécules n'interférant pas de façon négative avec le présent procédé, etc.
Le procédé de la présente invention est un procédé peu coûteux et efficace qui peut permettre la séquestration et le recyclage du C02 atmosphérique etlou des rejets liquides et/ou gazeux, en utilisant des matériaux riches en oxydes (selon la formule XO: e.g. CaO, FeO, MgO, etc.) et à pouvoir alcalin élevé. Les matériaux à
pouvoir alcalin et riches en oxydes envisagés par la présente invention comprennent entre autre, les scories d'aciéries, le béton concassé, les boues rouges d'alumineries, les poussières de cimenteries, etc. Ces matériaux peuvent avoir la capacité, peut permettre de transformer le C02 dissous en CO32-. Ce dernier peut réagir avec un ou plusieurs cations (e.g. N a2+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, AI3+, etc.) gënérés par les matériaux décrits ci-dessus ou apportés au milieu, afin de produire des précipités (carbonate) stables et valorisables (e.g. CaC03, MgC03, CuC03, FeC03, etc.). Le pouvoir alcalin 8 the addition of a device known in the art, such as a pre-filter could avoid the clogging by this type of particles. The size of the particles can be chosen according to the quantity of C02 to sequester and the type of equipment used. The material can also found in the form of bed of particles (percolating bed) and / or stacking (of particles) and / or still contained in a compartment resembling a unit of filtration or other.
As the material is hydrated, the aqueous solution becomes more and more more alkaline. The alkalinity of the solution can be evaluated by measuring the pH.
When the the alkaline potential of the material is exhausted, it is possible to add fresh material to the inside of the device, or to replace the residual material with material fresh. In the case where the material is inserted in a unit-type container of filtration, it is possible to change the filtration unit for a new unit containing fresh material. The material (or filtration unit containing the material) can therefore be changed if necessary following, for example, a measurement of the the alkalinity of the aqueous solution (by a pH indicator), by a measurement of the quantity of ions X ~ +, or after a period of time defined according to the capacities of the device (or according to the capacity of the filtration unit), its rhythm use, etc. The aqueous solution can be of varied origin as well, the aqueous solution may be, for example, tap water, salt water (eg seawater), water sweet (ex.
lake water), brackish water, water containing any molecules not negatively interfering with the present process, etc.
The process of the present invention is an inexpensive and effective process which can to allow the sequestration and recycling of atmospheric CO2 and / or releases liquids and / or gases, using oxide-rich materials (depending on the formula XO: eg CaO, FeO, MgO, etc.) and with high alkaline power. The materials to power alkali and oxide rich contemplated by the present invention include enter other, steel slag, crushed concrete, red mud aluminum smelters, dust from cement works, etc. These materials may have the ability, can allow the dissolved CO2 to be converted to CO32-. The latter can react with one or several cations (eg N a2 +, Ca2 +, Mg2 +, Fe2 +, Al3 +, etc.) generated by materials described above or brought to the middle, in order to produce precipitates (carbonate) stable and recoverable (eg CaCO3, MgCO3, CuCO3, FeCO3, etc.). The power alkaline
9 de ce type de matériau peut donc permettre le traitement de fortes charges (quantités, concentrations etc.) de C02 autant que de faibles charges de C02.
La présente invention se rapporte également à un appareil servant à la séquestration du C02 en condition alcaline. Plus particulièrement, la présente invention se rapporte à un appareil servant à la séquestration du C02 par des matériaux à pouvoir alcalin et riches en oxydes.
La présente invention se rapporte, de plus, à un appareil permettant la séquestration et le recyclage du C02 atmosphérique etlou des rejets liquides etlou gazeux par l'utilisation de matériaux à pouvoir alcalin et riches en oxydes. L'appareil peut permettre la formation (production) de carbonates (ex. carbonates métalliques) à partir de COZ et d'un matériau riche en oxydes en conditions alcalines.
1S La présente invention se rapporte également à un appareil (système) servant à la séquestration du C02, l'appareil peut comprendre ;
a. Au moins un compartiment pouvant contenir une solution aqueuse alcaline (solution d'hydratation alcaline), b. Un moyen d'introduction d'une source de C02 dans le compartiment, c. Un moyen de contact (ex. membrane, moyen de connexion, tubes, déversement direct, etc.) entre la source de C02 avec 1a solution aqueuse alcaline, et d. Un moyen d'évacuation de la source de C02 appauvrie en C02.
2S Selon la présente invention, la solution aqueuse alcaline peut provenir d'un matériau ou d'une combinaison de matériaux ayant un pouvoir alcalïn (et riche en oxydes). II
est donc entendu que l'appareil pourrait étre conçu pour contenir un matériau ayant un pouvoir alcalin et riche en oxydes. Selon la présente invention, la solution aqueuse alcaline peut provenir, par exemple, du mélange d'une solution aqueuse et d'un matériau à pouvoir alcalin et riche en oxydes.
L'appareil peut également comprendre un moyen de récupération des produits générés (ex. carbonates) par le contact entre la source de C02 et la solution aqueuse alcaline.
~e plus, la présente invention se rapporte à un appareil servant à la séquestration du C02, l'appareil peut comprendre ;
a. Au moins un premier compartiment pouvant contenir une solution aqueuse alcaline (ou une source de solution aqueuse alcaline obtenue, par exemple, par le mélange d'une solution aqueuse et d'un matériau à
pouvoir alcalin et riche en oxydes), b. Au moins un deuxième compartiment pouvant contenir une source de C02, c. Un moyen de contact entre le contenu du premier compartiment et le contenu du deuxième compartiment, d. Un moyen d'introduction d'une source de C02 dans le deuxième compartiment, et e. Un moyen d'évacuation de la source de C02 appauvrie en C02.
Selon la présente invention, le moyen de contact (moyen de connexion) entre le contenu du premier compartiment et le contenu du deuxième compartiment peut être une membrane ayant un niveau de perméabilité désiré ou encore tout autre moyen de contact connu tel un système de tuyauterie, etc.
~a présente invention se rapporte, de plus à un appareil servant à la séquestration du C02, l'appareil peut comprendre ;
a. Au moins un premier compartiment pouvant contenir au moins un matériau ayant un pouvoir alcalin et riche en oxydes, b. Au moins un deuxième compartiment pouvant contenir une source de C02, c. Un moyen d'introduction d'une solution aqueuse dans le premier compartiment, d. Un moyen d'introduction d'une source de C02 dans le deuxième compartiment, et e. Un moyen de contact entre le contenu du premier compartiment et le contenu du deuxième compartiment.
Selon la présente invention, l'appareil peut comprendre également un moyen d'évacuation de la source de C02 une fois appauvrie en C02.
La présente invention se rapporte ainsi à un appareil muni d'au moins une unité (ex.
servant de capteur de C02 et de générateur de carbonates) de pouvant contenir un matériau à pouvoir alcalin et riche en oxydes. Le matériau peut être hydraté à
l'aide d'une solution aqueuse (solution d'hydratation) injectée dans l'unité par un moyen d'introduction (ex, système d'injection). Dû au pouvoir alcalin du matériau, celui-ci libère des ions X"+ et OH' lors du processus d'hydratation (voir Figures 4 et 5). La solution aqueuse (phase liquide) devient donc alcaline (e.g., entre pH 7.5 et pH 14.0).
Le C02 (ou la source de C02, ex. air etlou rejets liquides etlou gazeux chargés en C02) est injecté dans l'unité par un système d'introduction selon les conditions désirées (ex. sous pression, selon une température définie, etc.). Le C02 affluent (ou la source de C02) entre alors en contact avec la solution aqueuse devenue alcaline et devient donc dissous dans cette solution sous forme d'ion carbonate. Le gaz résiduel etlou les rejets liquides, appauvris en C02, peuvent être évacués par un moyen (systëme) d'évacuation. Les ions carbonates ainsi générés peuvent réagir avec des ions provenant, par exemple, du matériau lui-même ou d'une source externe formant ainsi des carbonates. Les ions peuvent être des ions métalliques et former ainsi des carbonates métalliques. La solution aqueuse, suite à la récupération des carbonates, peut être réacheminée vers l'appareil par un moyen de recirculation (e.g. en circuit fermé). Ainsi la solution aqueuse peut être (constamment) réutilisée à chaque cycle d'utilisation de l'appareil ou même plusieurs fois dans un même cycle. II est entendu que de la solution aqueuse fra"sche peut être réinjectée dans l'appareil au besoin.
Ainsi, la solution aqueuse peut être totalement changée ou changée en partie, dépendamment des caractéristiques de la solution (ex. pH, alcalinité, etc.).
L'appareil peut donc comprendre un moyen d'évacuation de la solution et/ou un moyen de recirculation de la solution. Dans ce type d'appareil, le capteur de C02 et le générateur de carbonates font partie de la même unité. Le matériau peut être contenu dans un compartiment localisé à l'intérieur de l'unité. Le compartiment peut, par exemple, être hermétiquement fermé afin d'éviter que des particules de matériaux ne s'en échappe mais peut également posséder de fines ouvertures permettant de laisser passer certaines molécules (d'un liquide, d'un gaz, d'un solide) de part et d'autres de la paroi du compartiment (ex. unité de filtration). L'appareil peut également ëtre muni d'un système d'agitation, tel un système permettant l'agitation du matériau afin de maximiser le contact entre la solution aqueuse et le matériau.
La présente invention se rapporte également à un appareil muni d'au moins deux unités soit un capteur (une unité de dissolution du C02) et un générateur (une unité
d'hydratation du matériau). Les unités peuvent être connectées par un moyen d'alimentation permettant la circulation de la solution aqueuse entre le générateur et le capteur. Une solution aqueuse peut être acheminée vers le générateur permettant ainsi l'hydratation du matériau. Dû au pouvoir alcalin du matériau, celui-ci libère des ions X"+ et OH' lors du processus d'hydratation (voir Figures 4 et 5). La solution aqueuse devient donc alcaline (ex. entre pH 7.5 et pH 14.0). Le C02 (ou la source de C02) est injecté dans le capteur qui est alimenté par la solution aqueuse maintenant devenue alcaline. Le C02, qui entre en contact avec la solution aqueuse alcaline, peut donc être dissout dans celle-ci et être transformé en ion carbonate. Les ions carbonates ainsi générés peuvent réagir avec des ions provenant, par exemple, du matériau lui-même ou d'une source externe formant ainsi des carbonates. Les ions peuvent être des ions mëtalliques et former ainsi des carbonates métalliques.
La présente invention se rapporte également à un appareil possédant l'une ou l'autre des unités, soit un capteur (une unité de dissolution du COZ) ou un générateur (une unité d'hydratation du matériau). II est entendu par le fait même que l'étape d'hydratation du matériau et celle de dissolution du C02 peuvent être exercées séparément (ex. en des lieux physiquement distincts) et donc l'appareil peut être scindé en ses deux unités. Ainsi, l'hydratation du matériau à pouvoir alcalin et riche en oxydes peut s'effectuer dans un site où ce type de matériau est disponible (ex.
aluminerie, aciérie, cimenterie, mine de serpentine, d'olivine de brucite etc.) et ia solution aqueuse alcaline contenant de ions OH- et des ions X"+ peut être transporté
sur un autre site où ia quantité de C02 est importante. Le C02 de cette source peut être injecté dans un capteur alimenté par la solution aqueuse alcaline provenant du premier site. La suite du processus peut s'effectuer tel que décrit ci-haut.
II est entendu qu'un appareil peut contenir plus de une unité ou plusieurs de chacune des unités (plus de un générateur et/ou plus d'un capteur) dépendamment des quantités de matériau disponibles efJou des volumes de C02à traiter (séquestrer). II
est également entendu que la grosseur de l'appareil et de sa ou ses unités peut également varier selon les quantités de matériau disponibles et/ou des volumes de C02 à traiter. Ainsi, un appareil de type industriel est compris par la présente invention, de même qu'un appareil de type individuel, tel que, par exemple, un appareil pouvant être installé à même un système de ventilation d'une maison ou d'un édifice.
La débit (vitesse) d'alimentation en solution aqueuse peut être déterminé
selon la mesure des paramètres chimiques de cette solution (pH, quantité d'ions X"+, etc.). Le temps de contact de la solution aqueuse avec le matériau peut donc être régulé
selon ces paramètres. Si la solution aqueuse est insuffisamment alcaline pour permettre une bonne transformation du C02 en ion carbonate, le temps de contact peut être prolongé. Si la solution aqueuse ne contient pas suffisamment d'ions X"+permettant la formation de carbonates, le temps de contact peut être prolonger ou encore des d'ions X"+ provenant d'une source externe (ex. d'ions X"+ en solution) peuvent être introduits dans l'appareil: Le moyen d'alimentation de la solution aqueuse peut comprendre un système de tuyauterie, une pompe, un système actionné par gravité, ou tout autre moyen connu etc.
Le ou les appareils de la présente invention peuvent donc comprendre également un moyen (système) pour mesurer le pH, soit un moyen de détection du pH {ex.
indicateur coiorimétrique, sonde, etc.). Le ou les appareils peuvent également comprendre un moyen d'ajustement du pH.
Le ou les appareils peuvent également comprendre un moyen de détection de cations etlou d'ajustement de la quantité (concentration, etc.) de cations. Selon la présente invention, le ou les appareils peuvent comprendre un moyen d'introduction d'une source de cations et d'évacuation de la source une fois que la réaction désirée est obtenue. Le ou les appareils peuvent donc comprendre un moyen pour mesurer etlou ajuster la quantité d'ions X"+ (ex. sonde, etc.} etlou un moyen d'injection d'ions X"+ afin d'obtenir une quantité (concentration) désirée.
Selon la présente invention, le ou les appareils peuvent comprendre un moyen de détection de l'alcalinité etlou de la concentration en C02 et/ou en C03z'. Le ou les appareils peuvent également comprendre un moyen d'ajustement de l'alcalinité
etlou de la concentration en COZ et/ou en C032-.
Le carbonate généré par le procédé peut ëtre récupéré par un collecteur. Le collecteur peut être localisé à l'intérieur de l'appareil ou à l'extérieur de l'appareil. II est entendu que lorsque le matériau à pouvoir alcalin et riche en oxydes contient plus d'une espèce d'oxyde (i.e., lorsque X représente une combinaison d'éléments ou lorsque X représente différents élément du matériau), plusieurs espèces de carbonates sont générés par le procédé.
S
Le carbonate peut être précipité et récupéré sous cette forme. Le carbonate peut également se trouver en suspension et être récupérer par un système de filtration localisé, par exemple, à une sortie du système de recirculation de la solution aqueuse.
La température de réaction à l'intérieur de !'appareil peut également être ajustée. Une température plus élevée permet de façon générale, un temps de réaction plus court.
Une température de réaction trop faible (ex. température inférieure à
5°C) peut allonger le temps requis pour effectuer le procédé. Le procédé peut s'effectuer à
température ambiante.
Egalement, fors de réactions chimiques, de l'énergie est généralement générée ou requise. Cette énergie est généralement associée à un changement de température (dégagement de chaleur ou sensation de froid). II est donc entendu que la température peut varier lors du procédé. La température peut donc être ajustée en conséquence si désiré. L'appareil peut donc comprendre un moyen de détection de la température et/ou un moyen d'ajustement de la température.
Le ou les appareils peuvent également comprendre un système d'alimentation électrique. Le ou les appareils peuvent être contrôlé, par exemple, par un système informatisé, peut ëtre automatisée ou non ou peut être contrôlé manuellement (i.e., paramètres mesurés et ajustés de façon manuelle).
Dans le cas de l'utilisation d'un sous-produit d'aciéries tels les scories, il est possible d'après certaines données (Lospied et al., 2003) de séquestrer et de recycler le C02 avec une efficacité de (ordre de 0,19 tonne de C021tonne de scories a un coût moyen de 15$ à 30$(canadien) /tonne de CO2. En 1999, la production mondiale des scories d'aciérïes a atteint 109 millions de tonnes. La production nord-américaine était, en l'an 2000, de 21 millions de tonnes dont 9 millions de tonnes au Canada (Proctor et al., 2000). De ce fait, il serait possible d'enlever plus de 1,7 millions de tonnes de CO2lan à l'échelle du Canada et plus de 20 millions de tonnes de C02lan à (échelle mondiale.
Le procédé de la présente invention peut permettre à la fois de séquestrer le C02, de réutiliser les précipités formés et de valoriser les matériaux utilisés, notamment dans ie cas de l'utilisation de sous-produits et/ou résidus industriels tels que les scories d'aciéries, les boues rouges d'alumineries, des résidus miniers, des résidus agricoles, etc. Ce procédé peut permettre de traiter aussi bien de fortes charges en C02 que de faibles charges comme, par exemple l'air de ventilation des immeubles et des fermes d'élevage intensif. II suffit dans ce cas d'utiliser le procédé de la présente invention sous forme de modules mobiles ou statiques avec des générateurs (unités, IO compartiment, etc.) de rechange.
A l'échelle internationale les entreprises, les gouvernements et les groupes qui adhèreront au marché international d'échange de droits d'émission de C02 auront avantage à utiliser le procédé (et l'appareil) de la présente invention. II
faut rappeler que la Grande-Bretagne a mis en place un marché de droits d'émission depuis janvier 2002 et dans le cadre d u Protocole de Kyoto il est prévu la création d'une bourse mondiale des émissions de gaz à effet de serre en 2008 dont le marché est estimé à
88 milliards de $ US (http:llwww.nrtee-trnee.ca). Dans le cas de l'utilisation des scories d'aciéries, le marché intemationai d'échange de droits d'émission de CO~ peut permettre l'hydratation des scories, maturation nécessaire avant leurs utilisation comme agrégats pour la fabrication du bitume ou comme matériaux de remblai, et la formation de précipités (CaC03 et FeC03) réutilisables dans différentes industries:
papetière, métallurgique, etc.
Les caractéristiques de la présente invention peuvent se résumer comme suit Faible coût du traitement: Le procédé de la présente invention utilise des matériaux peu coûteux et abondants ce qui se traduit par un faible coût de séquestration et de recyclage du C02. Dans le cas de l'utilisation des scories, le coût est estimé de 15$ à 30$Itonne de C02 ce qui est largement inférieur au coût de traitement des procédés les plus performants surie marché;
Multi-fonctionnel: le procédé de la présenfie invention peut permettre à la fois de séquestrer le C02, de réutiliser les précipités formés et de valoriser les matérïaux utilisés, notamment dans le cas de I°utilisation de sous-produits etlou résidus industriels. Dans le cas de l'utilisation des scories, le procédé de la présente invention peut permettre l'hydratation des scories (maturation nécessaire avant leur utilisation comme agrégats pour la fabrication du bitume ou comme matériaux de remblai), la fixation de COa et enfin la formation de précipités (CaC03 et FeC03) réutilisables dans différentes industries: papetiére, métallurgie, etc. ;
Fixation et recyclage de fortes charges en C02: dans le cas de (utilisation des scories d'aciéries ,avec une efficacité d'enlèvement, d'après certaines données (Lospied et al., 2003), de l'ordre de 0,19 tonne de C021tonne de scories, le C02 le procédé de la présente invention peut permettre de traiter plus de 1,7 millions de tonnes de COZ/an à l'échelle du Canada et plus de 20 millions de tonnes de C021an à
l'échelle mondiale. Par exemple, en 1999, la production mondiale des scories d'aciéries a atteint 109 millions de tonnes. La production nord-américaine était, en fan 2000, de 21 millions tonnes dont 9 millions de tonnes au Canada (Proctor et al., 2000).
Ainsi, d'importantes quantités de matériaux à pouvoir alcalin et riches en oxydes, autrement nuisibles, peuvent être mises à contribution;
Applicable pour le traitement de faibles charges en C02: le procédé de la présente invention pourrait être utilisé sous forme de modules mobiles ou statiques avec d es g énérateurs d e r echange p our I a s équestration e t I e r ecyclage d e faibles charges en C02 comme, par exemple l'air de ventilation des immeubles et des fermes d'élevage intensif;
Revalorisation des matériaux utilisés: le procédé de la présente invention pourrait permettre d'apporter une valeur ajoutée à un grand nombre de matériaux tels que les scories d'aciéries, les boues rouges d'alumineries, les poussières de cimenteries, etc. De plus, le procédé de la présente invention pourrait permettre la production de précipités valorisables tel que le CaC03 dans de différents industries (papetière, métallurgique, etc.). A titre d'exemple, le prix de vente du CaC03 de qualité industrielle varie entre 12 - 40$ USltonne (Cold and Silver Mines, 2004);
Impact environnemental faible ou nul: contrairement à d'autres technologies des plus prometteuses présentement sur le marché telle que la séquestration géologique du COZ qui présente des risques de fuites du C02, lentes ou soudaines à
grande échelle, résultant de phénomènes sismiques et d'une contamination des nappes phréatiques (His et Arlie, 2003), le procédé de la présente invention ne semble présenter aucun impact environnemental négatif. Le procédé et l'appareil peuvent être utilisés dans des conditions contrôlées et la phase liquide d'hydratation des matériaux peut être réutilisable pour un fonctionnement en circuit fermé.
Implantation du procédé pour le traitement de fortes charges en C02: la simplicité du procédé de la présente invention et son mode d'exploitation, pourrait permettre son application sur le site même de production et de stockage des matériaux ce qui pourrait réduire significativement le coût du traitement (transport des matériaux, étanchéisation des sols, etc). Le procédé peut être également facile à
mettre en oeuvre par rapport aux autres procédés qui existent sur le marché, Quantité de matériaux utilisée: pour le traitement de fortes charges en C02, il est indispensable de disposer d'importantes quantités de matériaux. Dans le cas de la majorité des matériaux visés, entre autres des scories d'aciéries, cette limite est facilement surmontable. En effet, le Canada a produit 9 millions de tonnes de scories en 2000. De ce fait, pour une efficacité de traitement de 0,19 tanne de C021tonne de scories, il est possible de séquestrer plus de 1,7 millions de tonnes de C021an à
l'échelle du Canada.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Relativement aux dessins qui illustrent la réalisation de l'invention, La F figure 1 représente une I iste d es t echnologies d e r écupération d u C
02 (Herzog 2001 ), La Figure 2 représente une liste des technologies de fixation et de séquestration du C02 (Herzog 2001 ), La Figure 3 représente un schéma illustrant une réalisation d'un procédé et d'un appareil de séquestration du C02 de la présente invention, La Figure 4 représente un schéma illustrant une deuxième réalisation d'un procédé et d'un appareil de séquestration du C02 de la présente invention, et;
La Figure 5 représente un schéma illustrant une troisième réalisation d'un procédé et d'un appareil de séquestration du COz de la présente invention.
Définitions Ion carbonate : CO32-Groupement carbonate : C03 Carbonate : composé chimique de formule X(C03)",2 où X représente n'importe quel élément ou combinaison d'éléments pouvant se lier à un groupement carbonate où
un multiple (entier) d'un groupement carbonate et où au moins un des éléments est choisi du groupe des éléments chimiques IA, IIA, IIIA, IVA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, ou VIIIB du tableau périodique et n est un entier positif déterminé de façon stoechiométrique. X peut étre X"+ soit un cation tel que Na+, Caz+, Mgz+, Mnz+, Fez+, Fe3+, etc. II est à noter qu'en milieu alcalin: 1 mole de X"+ fixe n/2 mole de C03z- et produit 1 mole de X(C03)",2 Carbonate métallique : composé chimique de formule X(C03)",2 où X représente un métal. X inclut, par exemple, sans Hêtre limités, les métaux alcalins et les métaux alcalino-terreux et n est tel que défini ci-haut.
Matériau-XO : matériau ou mélange de matériau riche en oxyde aù XO représente un oxyde et X est tel que défini ci-haut.
Le procédé de la présente invention est un nouveau procédé de séquestration et de recyclage du COz atmosphérique etlou des rejets liquides et/ou gazeux. Ce procédé
utilise et permet la valorisation des matériaux riches en oxydes (ex. CaO, FeO, MgO, etc.) et à pouvoir alcalin élevé telles que retrouvé dans les scories d'aciéries, les boues rouges d'alumineries, etc. (Tableau 1 ). Ces matériaux sont produits en très grandes quantités (e.g. la production mondiale des scories d'aciéries en 1999 a atteint 109 millions de tannes) et sont peu coûteux (e.g. le coût moyen des scories d'aciéries est de 10$/tonne). L'hydratation de ces matériaux permet de générer spontanément des groupements hydroxydes et le milieu alcalin ainsi produit favorisera la dissolution du C02 et la transformation de ce dernier en C0~2'. Le CO32- réagira avec un ou plusieurs cations X (ex. X"+, ex. Na'', Ca2+, Mg2+, Fe2+, AI3+, etc.) générés par les matériaux décrits ci-dessus ou apportés au milieu, afin de produire des prëcipités stables et valorisables tels que CaC03, MgC03, FeC03, etc. (figure 3).
Tableau 1. Composition chimique de quelques matériaux ciblés Composants chimiques (% moyen en masse) Matériaux Fe0 Ca0 Si02 Mg0 A1203 Na20 Ti02 Scories 34 32 15 10 5 0 1 (Ispat-Sidbec) Scories 0,8 37 34 9,5 13 0,3 1 (Dofasco) Boues rouges 37 6 I I 12 5 20 (Alcoa) Exemple 1 Lors d'un procédé où l'appareil utilisé comprend une unité
(générateurlcapteur), le matériau (ou un compartiment comprenant le matériau) peut être chargé dans l'appareil. Le matériau est alors hydraté à l'aide d'une solution aqueuse acheminée dans l'unité par un moyen d'introduction. Dû au pouvoir alcalin du matériau, celui-ci libère des ions X"+ et OH- lors du processus d'hydratation (voir Figures 3 et 5). La solution aqueuse (phase liquide) devient donc alcaline (ex. entre pH 7.5 et pH
14.0).
Le C02 (ou la source de C02, ex. air etlou rejets liquides etlou gazeux chargés en C02) est acheminé dans l'unité par un moyen d'introduction (ex. injection). Le C02 (ou la source de COz) entre alors en contact avec la solution aqueuse devenue alcaline et peut donc se dissoudre dans cette solution sous forme d'ion carbonate. Le gaz résiduel etlou les rejets liquides, appauvris en C02, peuvent être évacués par un moyen (système) d'évacuation. Les ions carbonates générés par la dissolution du C02 peuvent réagir avec des ions provenant, par exemple, du matériau lui-même ou d'une source externe formant ainsi des carbonates. Les ions peuvent être, par exemple, des ions métalliques et former ainsi des carbonates métalliques. La solution aqueuse, suite à la récupération des carbonates, peut être réacheminée vers l'appareil par un système de recirculation (ex. en circuit fermé). Ainsi la solution aqueuse peut être (constamment) réutilisée à chaque cycle d'utilisation de l'appareil ou même plusieurs fois dans un même cycle. II est entendu qu'une solution aquéuse fraiche peut être réinjectée dans l'appareil au besoin. A insi, la solution aqueuse peut être totalement changée ou changée en partie, dépendamment des caractéristiques de la solution (ex. pH, alcalinité, etc.). Dans ce type d'appareil, le capteur de C02 et le générateur de carbonates font partie de la même unité. Le matériau peut être contenu dans un compartiment localisé à l'intérieur de l'unité. Le compartiment peut, par exemple, ê tre fermé a fin d 'éviter q ue d es p articules d e m atériaux n e s'en é chappe mais peut également posséder de fines ouvertures permettant de laisser passer un liquide ou un gaz ou encore de très fines particules de part et d'autres de la paroi du compartiment (ex. unité de filtration). L'appareil peut également être muni d'un moyen d'agitation, tel un système permettant l'agitation du matériau afin de maximiser le contact entre la solution aqueuse et le matériau.
La configuration illustrée à la Figure 3 représente un appareil à une seule unité
pouvant posséder trois compartiments soit un compartiment comprenant (i.e., pouvant comprendre) le matériau (phase solide), un compartiment comprenant (i.e., pouvant comprendre) la solution aqueuse (phase liquide} et un compartiment comprenant (i.e., pouvant comprendre) la source de C02 (qui peut être, par exemple un compartiment permettant une alimentation constante en source de C02). Selon les propriétés des parois des différents, compartiments, les échanges peuvent s'effectués entre la phase solide et la phase liquide et entre la phase liquide et la phase gazeuse. II
est également possible que les compartiments de la phase liquide et de la phase solide soient alimentés de façon constante. Les compartiments ne sont illustrés qu'à
titre indicatif. II est entendu que leur ordre, dimension configuration peut être varié tout en arrivant au même résultat. Ainsi, le compartiment comprenant le matériau peut se trouver à l'intérieur du compartiment comprenant la solution aqueuse et ces deux compartiments peuvent se trouver à l'intérieur du compartiment comprenant la source de CO2. Inversement, le compartiment comprenant la source de C02 peut être â
l'intérieur de celui comprenant la solution aqueuse et les deux peuvent être localisés à
l'intérieur de celui comprenant le matériau. D'autres configurations sont envisagées et sont incluses dans la présente invention.
Le système de récupération des carbonates (collecteur de carbonates) peut comprendre des moyens connus dans l'art, tel un filtre presse, un bassin de décantation, un vortex, une guérite de séparation, un hydrocyclone, une vis sans fin, etc.
La Figure 3 illustre également un mécanisme de séquestration et de recyclage du COZ. Dans le cas des scories, X"+ est principalement X2+, soit de façon principale Ca2+ et Fe2+ ainsi; X(C03)"~i peut être du carbonate de calcium et du carbonate de fer (CaC03, FeC03).
La configuration illustrée à la figure 5 représente un appareil à une seule unité sans compartiment définis. Le matériau est localisé à l'intérieur de l'appareil et peut être sous une forme ou une autres, soit des particules en suspension, lits percolant, etc. La solution aqueuse se trouve également à l'intérieur de l'appareil en contact avec le matériau. La source de C02 est introduite à l'intérieur de l'appareil. La phase liquide (solution aqueuse), servant à la fois à l'hydratation des matériaux à pouvoir alcalin et à
la dissolution et la séquestration du C02, alimente en permanence et en circuit fermé
l'unité. Le circuit de la phase liquide, le niveau d'injection du C02 (air et/ou rejets liquides etlou gazeux chargés en C02) ainsi que le niveau de l'ajout de cations indiqués sur cette figure ne sont donnés qu'à titre indicatif.
Dans cette configuration de l'appareil de la présente invention, le générateur et le capteur sont donc combinés en une seule unité. Dans ces conditions, le générateur/capteur peut être un lit percolant ou immergé statique, mobile ou fluidisé.
Le générateurlcapteur permet à la fois l'hydratation des matériaux utilisés, la dissolution du C02 pour former le C032' et la formation de précipités stables et valorisables.
Les systèmes d'alimentation en C02et en solution aqueuse ne sont illustrés qu'à titre indicatif. De tels systèmes sont connus dans l'art.
Exemple 2 Lors d'un procédé où l'appareil utilisé comprend deux unités, le matériau (ou un compartiment comprenant le matériau) peut être chargé dans le générateur (Figure 4).
La solution aqueuse est acheminée vers le générateur permettant ainsi l'hydratation du matériau. Dü au pouvoir alcalin du matériau, celui-ci libère des ions X"+
et OH' lors de ce processus d'hydratation (voir Figures 4). La solution aqueuse devient donc alcaline (ex. entre pH 7.5 et pH 14.0). Le milieu alcalin ainsi formé permet la dissolution du C02 atmosphérique etlou de rejets gazeux et la formation de C032'. Le C02 (ou la source de C02) est introduit dans (ou mis en contact avec) le capteur qui est alimenté par la solution aqueuse maintenant devenue alcaline. Le C02, qui entre en contact avec la solution aqueuse alcaline, peut donc ëtre dissout dans celle-ci et étre transformé en ion carbonate. Les ions carbonates ainsi générés peuvent réagir avec des ions (cations) provenant, par exemple, du matériau lui-méme ou d'une source externe formant ainsi des carbonates. Les ions peuvent être des ions métalliques (cations métalliques) et former ainsi des carbonates métalliques.
Ainsi, le CO32- réagira avec le ou les cations (e.g. Na+, Ca2+, Mg2'', Fe2+, AI3+, etc.) générés par les matériaux décrits ci-dessus etlou apportés au milieu, afin de produire des précipités stables et valorisables tels que CaC03, MgC03, FeC03, etc.
La configuration illustrée à la figure 4 représente un appareil à deux unités.
Le matériau est localisé à l'intérieur du générateur et la dissolution du C02 s'effectue dans le capteur. Les deux compartiments sont reliés par un moyen d'alimentation de la solution aqueuse. La solution aqueuse (phase liquide) est circulée entre le générateur et le capteur. Ainsi, la phase liquide, servant à la fois à
l'hydratation des matériaux à pouvoir alcalin et à la dissolution et la séquestration du C02, alimente en permanence, en circuit fermé, le générateur puis le capteur. Le circuit de la phase liquide, le niveau d'injection du C02 (air et/ou rejets liquides etlou gazeux chargés en C02) ainsi que le niveau de l'ajout de cations indiqués à la figure 4 ne sont donnés qu'à titre indicatif.
Le générateur peut être un lit percolant ou immergé avec ou sans mélange (e.g.
par agitation ou fluidisation}. Le générateur peut être une unité d'hydratation des matériaux par arrosage ou immersion avec ou sans mélange (mécanique ou hydraulique). Le capteur peut être un bassin ou un lit percolant, mobile ou fluidisé
avec des matériaux de f fixation du ou des précipités formés. Cette unité
contient la solution d'hydratation des matériaux utilisés.
Exemple 3 Lors d'un procédé où l'appareil utilisé comprend l'une ou l'autre des unités, soit un capteur (une unité de dissolution du C02) ou un générateur (une unité
d'hydratation du matériau) certaines étapes sont effectuées de façon séparée (temporellement etlou physiquement). II est donc entendu que l'étape d'hydratation du matériau et celle de dissolution du C02 peuvent être exercées séparément (ex. en des lieux physiquement distincts) et donc l'appareil peut être scindé en deux unités distinctes.
Ainsi, l'hydratation du matériau peut s'effectuer dans un site où ce type de matériau est disponible (ex. aluminerie, aciérie, cimenterie, mine de serpentine, d'olivine de brucite etc.) et la solution aqueuse alcaline contenant de ions OH- et des ions X"+
peut être transporté sur un autre site où la quantité de C02 est importante. Le C02 de cette source peut étre injecté dans un capteur alimenté par la solution aqueuse alcaline provenant du premier site. La suite du processus peut s'effectuer tel que décrit ci-haut. La situation inverse est également envisageable. C'est-à-dire que la source de C02 (dissoute ou non, ou encore dissoute partiellement) peut étre emmené à un site où un matériau ayant un pouvoir alcalin et/ou riche en oxyde est disponible et peut étre traitée sur ce site.
II est entendu que la conception et le fonctionnement du générateur et du capteur, dans les configurations illustrées aux figures 3, 4 et 5 varient en fonction des matériaux utilisés, de la charge de C02 à traiter, du coût et de I°efficacité du traitement.
Les paramètres dépendants des considérations précitées sont:
- la géométrie et la configuration du générateur et du capteur;
- les conditions d'hydratation des matériaux utilisés;
- les conditions de recirculation de la phase liquide;
- le niveau et les techniques d'injection du C02 (air etlou rejets liquides et/ou gazeux chargés en C02);
- le niveau et les techniques d'ajout de cations;
- le niveau et les techniques de récupération des précipités.
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Cold and Silver Mines (2004) http:JJwww. Cold and Silver Mines.com. 9 This type of material can therefore be used to treat heavy loads (quantities, concentrations etc.) of CO2 as well as low C02 loads.
The present invention also relates to an apparatus for sequestration C02 in alkaline condition. More particularly, the present invention is reported to an apparatus for the sequestration of CO2 by means of alkaline and rich in oxides.
The present invention further relates to an apparatus for sequestration and the recycling of atmospheric CO2 and / or liquid and / or gaseous discharges by the use of alkaline materials and rich in oxides. The device can allow the formation (production) of carbonates (eg metal carbonates) from of COZ and a material rich in oxides under alkaline conditions.
The present invention also relates to a device (system) serving to the C02 sequestration, the apparatus can include;
at. At least one compartment that may contain an aqueous solution alkaline (alkaline hydration solution), b. Means for introducing a CO 2 source into the compartment, vs. Contact means (eg membrane, connection means, tubes, direct spill, etc.) between the C02 source and the solution aqueous alkaline, and d. A means of evacuating the source of CO 2 depleted in CO 2.
According to the present invention, the aqueous alkaline solution can come from of a material or a combination of materials with alkaline (and rich in oxides). II
is therefore understood that the apparatus could be designed to contain a material having a alkaline and rich in oxides. According to the present invention, the solution aqueous alkaline content can come, for example, from the mixture of an aqueous solution and a alkaline material and rich in oxides.
The apparatus may also include a means of recovering the products generated (eg carbonates) by the contact between the C02 source and the solution aqueous alkaline.
Furthermore, the present invention relates to apparatus for sequestration of C02, the apparatus can include;
at. At least one first compartment that can contain a solution aqueous alkali (or a source of alkaline aqueous solution obtained, for example, by mixing an aqueous solution and a material with alkaline power and rich in oxides), b. At least a second compartment that can contain a source of vs. A means of contact between the contents of the first compartment and the content of the second compartment, d. A means for introducing a CO 2 source into the second compartment, and e. A means of evacuating the source of CO 2 depleted in CO 2.
According to the present invention, the contact means (connection means) between the contents of the first compartment and the contents of the second compartment may to be a membrane having a desired level of permeability or any other means of contact known as a piping system, etc.
~ the present invention relates, in addition to a device for the sequestration of C02, the apparatus can include;
at. At least one first compartment that can contain at least one material having an alkaline power and rich in oxides, b. At least a second compartment that can contain a source of vs. A means of introducing an aqueous solution into the first compartment, d. A means for introducing a CO 2 source into the second compartment, and e. A means of contact between the contents of the first compartment and the content of the second compartment.
According to the present invention, the apparatus may also comprise a means evacuation of the CO 2 source once depleted in CO 2.
The present invention thus relates to an apparatus provided with at least one unit (ex.
serving as a C02 and carbonate generator) that can contain a alkaline material and rich in oxides. The material can be hydrated to ugly of an aqueous solution (hydration solution) injected into the unit by a way introduction (eg, injection system). Due to the alkaline power of the material, this one releases X + and OH ions during the hydration process (see FIGS.
5). The aqueous solution (liquid phase) thus becomes alkaline (eg, between pH 7.5 and pH 14.0).
CO2 (or the source of CO2, eg air and / or liquid and / or gaseous discharges loaded into C02) is injected into the unit by an introduction system according to the terms desired (eg under pressure, at a defined temperature, etc.). C02 tributary (or the source of CO 2) then comes into contact with the aqueous solution alkaline and thus becomes dissolved in this solution in the form of carbonate ion. The gas residual and / or liquid discharges, depleted in C02, can be evacuated by a means (system) of evacuation. The carbonate ions thus generated can react with of the ions from, for example, the material itself or an external source forming thus carbonates. The ions can be metal ions and form so metal carbonates. The aqueous solution, following the recovery of carbonates, can be redirected to the device by means of recirculation (eg circuit closed). Thus the aqueous solution can be (constantly) reused at each cycle of use of the device or even several times in the same cycle. II is heard only fresh aqueous solution can be re-injected into the apparatus at need.
Thus, the aqueous solution can be totally changed or changed in part, depending on the characteristics of the solution (eg pH, alkalinity, etc.).
The device can therefore include a means of evacuation of the solution and / or a means of recirculation of the solution. In this type of device, the C02 sensor and the Carbonate generator are part of the same unit. The material can be contents in a compartment located inside the unit. The compartment can, by for example, be tightly closed to prevent materials do not escape but may also have thin openings allowing let pass some molecules (of a liquid, a gas, a solid) from others of the wall of the compartment (eg filtration unit). The device can also be equipped an agitation system, such as a system for agitating the material in order to maximize the contact between the aqueous solution and the material.
The present invention also relates to an apparatus provided with at least two units either a sensor (a C02 dissolution unit) and a generator (a unit hydration of the material). Units can be connected by a means feeding the circulation of the aqueous solution between generator and the sensor. An aqueous solution can be routed to the generator allowing thus the hydration of the material. Due to the alkaline power of the material, this releases X + and OH ions during the hydration process (see Figures 4 and 5).
solution The aqueous solution thus becomes alkaline (eg between pH 7.5 and pH 14.0). C02 (or source of C02) is injected into the sensor which is fed with the aqueous solution now become alkaline. CO2, which comes in contact with the aqueous solution alkaline, can therefore be dissolved in it and be transformed into carbonate ion. Ions carbonates thus generated can react with ions from, for example, of material itself or an external source thus forming carbonates. The ions may be metal ions and thereby form metal carbonates.
The present invention also relates to an apparatus having one or the other units, either a sensor (a COZ dissolution unit) or a generator (a unit of hydration of the material). It is understood by the fact that the step of hydration of the material and that of C02 dissolution can be exerted separately (eg in physically separate places) and therefore the device can to be split into its two units. Thus, the hydration of the alkaline material and rich in oxides can be carried out in a site where this type of material is available (ex.
aluminum smelter, steel plant, cement plant, serpentine mine, brucite olivine etc.) and i alkaline aqueous solution containing OH- ions and X + ions can be transported on another site where the amount of CO2 is important. The CO2 of this source can to be injected into a sensor fed with the aqueous alkaline solution from the first site. The rest of the process can be performed as described above.
It is understood that a device may contain more than one or more each units (more than one generator and / or more than one sensor) depending on the quantities of material available efJou volumes of CO2 to treat (sequester). II
is also understood that the size of the device and its unit (s) can also vary according to the quantities of material available and / or volumes of CO 2 to be treated. Thus, an industrial-type device is understood by the present invention, as well as an individual-type apparatus, such as, for example, a apparatus Can be installed in a ventilation system of a house or building.
The flow rate (speed) of feed in aqueous solution can be determined according to measurement of the chemical parameters of this solution (pH, amount of X + ions, etc.). The contact time of the aqueous solution with the material can therefore be regulated according to these parameters. If the aqueous solution is insufficiently alkaline for to permit a good conversion of CO 2 to carbonate ion, the contact time can to be extended. If the aqueous solution does not contain enough ions X "+ allowing the formation of carbonates, the contact time may be prolonged or ion X "+ from an external source (eg X + ions in solution) can be introduced in the apparatus: The means for feeding the aqueous solution can understand a piping system, a pump, a gravity operated system, or any other known medium etc.
The apparatus (s) of the present invention may therefore also include a means (system) for measuring pH, a means for detecting pH (ex.
bioimetric indicator, probe, etc.). The device or devices can also include means for adjusting the pH.
The device or devices may also include a means for detecting cation and / or adjusting the amount (concentration, etc.) of cations. According to present invention or the apparatus may comprise an introduction means a source of cations and evacuation of the source once the reaction desired is obtained. The device (s) may therefore include a means for measuring andlor adjust the amount of X + ions (eg probe, etc.) and / or injection means X + ions so to obtain a desired amount (concentration).
According to the present invention, the device or devices may comprise a means of detection of the alkalinity and / or concentration of CO 2 and / or CO 3 '. The where the devices may also include a means of adjusting the alkalinity andlor concentration of COZ and / or CO32-.
The carbonate generated by the process can be recovered by a collector. The collector can be located inside the device or outside of the device. II is understood that when the alkaline-rich and oxide-rich material contains more of an oxide species (ie, when X represents a combination of elements or when X represents different elements of the material), several species of Carbonates are generated by the process.
S
The carbonate can be precipitated and recovered in this form. Carbonate can also be in suspension and be recovered by a system of filtration located, for example, at an outlet of the recirculation system of the solution aqueous.
The reaction temperature inside the apparatus can also be adjusted. A
higher temperature generally allows a longer reaction time short.
A reaction temperature that is too low (eg temperature below 5 ° C) can lengthen the time required to complete the process. The process can to be carried out ambient temperature.
Also, with chemical reactions, energy is usually generated or required. This energy is usually associated with a change in temperature (heat release or cold sensation). It is therefore understood that temperature may vary during the process. The temperature can therefore be adjusted in consequence if desired. The apparatus may therefore comprise a detection means of the temperature and / or temperature adjustment means.
The device or devices may also include a power system electric. The device (s) can be controlled, for example, by a system computerized, can be automated or not or can be manually controlled (ie, parameters measured and adjusted manually).
In the case of using a by-product of steelworks such as slag, is possible according to some data (Lospied et al., 2003) to sequester and recycle with an efficiency of (order of 0.19 ton C021 tons of slag at a cost way from $ 15 to $ 30 (Canadian) / tonne of CO2. In 1999, world production of slag of steel has reached 109 million tonnes. North American production was, in the year 2000, of 21 million tonnes including 9 million tonnes in Canada (Proctor and al.
2000). As a result, it would be possible to remove more than 1.7 million tonnes CO2lan across Canada and more than 20 million tonnes of C02lan at World.
The method of the present invention can both sequester the C02, of reuse the precipitates formed and enhance the materials used, especially in ie the case of the use of by-products and / or industrial residues such as slag of steel mills, red sludge from aluminum smelters, tailings, residues agricultural, etc. This process can be used to treat both high C02 charges that of low loads such as, for example, the ventilation air of buildings and farms intensive breeding. In this case, it suffices to use the process of this invention in the form of mobile or static modules with generators (units, IO compartment, etc.) spare.
At the international level companies, governments and groups who will adhere to the international market for C02 emission rights trading will advantage to use the method (and apparatus) of the present invention. II
must be remembered that Britain has put in place a market for emission rights since January 2002 and in the framework of the Kyoto Protocol it is planned the creation of a stock Exchange global greenhouse gas emissions in 2008 whose market is estimated at US $ 88 billion (http: llwww.nrtee-trnee.ca). In the case of use of the steel slag, the international market for the trading of greenhouse gas emission CO ~ can allow hydration of the slag, maturation necessary before their use as aggregates for the manufacture of bitumen or as backfill material, and the formation of reusable precipitates (CaCO3 and FeCO3) in different industries:
paper mill, metallurgical, etc.
The features of the present invention can be summarized as follows Low cost of treatment: The method of the present invention utilizes inexpensive and abundant materials which translates into a low cost of sequestration and recycling of CO2. In the case of the use of slag, the cost is estimated at $ 15 to $ 30 C02, which is well below the cost of treatment of the most efficient processes on the market;
Multi-functional: the method of the present invention can allow the times to sequester CO 2, to reuse the precipitates formed and to valorize the materials used, in particular in the case of the use of by-products and / or residues industrial. In the case of the use of slag, the process of present invention can allow hydration of the slag (maturation necessary before their use as aggregates for the manufacture of bitumen or as backfill material), the COa fixation and finally the formation of precipitates (CaCO3 and FeCO3) reusable in different industries: paper, metallurgy, etc. ;
Fixing and recycling of heavy C02 charges: in the case of (use of the steel slag, with removal efficiency, according to some data (Lospied et al., 2003), of the order of 0.19 tonnes of C021 tons of slag, the C02 the method of the present invention can make it possible to process more than 1.7 millions of tonnes of COZ / yr across Canada and more than 20 million tonnes of C021an to worldwide. For example, in 1999, world slag production of steel mills reached 109 million tonnes. North American production was, as a fan 2000, of 21 million tonnes including 9 million tonnes in Canada (Proctor and al., 2000).
Thus, large quantities of alkaline materials and rich in oxides, otherwise harmful, can be put to contribution;
Applicable for the treatment of low C02 charges: the process of present invention could be used in the form of mobile modules or static with exchange generators for equestration and I
weak ecycling C02 loads such as, for example, the ventilation air of buildings and farms intensive breeding;
Revalorization of the materials used: the process of the present invention could bring added value to a large number of materials such slag from steel mills, red sludge from aluminum smelters, dust from cement plants, etc. In addition, the process of the present invention could allow the production of recoverable precipitates such as CaCO3 in different industry (paper mill, metallurgical, etc.). For example, the selling price of CaC03 of industrial grade ranges from US $ 12 - US $ 40 (Cold and Silver Mines, 2004);
Low or no environmental impact: unlike other technologies most promising currently on the market such as sequestration the geological potential of CO2, which presents a risk of C02 leakage, which is sudden to large scale, resulting from seismic phenomena and contamination of groundwater tables (His and Arlie, 2003), the method of the present invention does not seem present no negative environmental impact. The process and the apparatus can be used under controlled conditions and the liquid phase of hydration of materials may be reusable for closed circuit operation.
Implantation of the process for the treatment of high C02 charges:
simplicity of the method of the present invention and its mode of operation, could allow its application on the site of production and storage of materials which could significantly reduce the cost of treatment (transport of materials, soil sealing, etc.). The process can also be easy to to implement compared to other processes that exist on the market, Quantity of materials used: for the treatment of high C02 loads, he It is essential to have large quantities of materials. In the case of majority of the materials covered, including slag from steel mills, this limit is easily surmountable. In fact, Canada produced 9 million tonnes of slag in 2000. As a result, for a treatment efficiency of 0.19 tan C021tonne of slag, it is possible to sequester more than 1.7 million tonnes of C021an to Canada-wide.
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
With respect to the drawings which illustrate the embodiment of the invention, Figure 1 shows a list of C-recovery technologies.
02 (Herzog 2001), Figure 2 shows a list of technologies for fixation and sequestration of C02 (Herzog 2001), FIG. 3 represents a diagram illustrating an embodiment of a method and a CO 2 sequestering apparatus of the present invention, Figure 4 shows a diagram illustrating a second embodiment of a process and a CO 2 sequestering apparatus of the present invention, and;
Figure 5 shows a diagram illustrating a third embodiment of a process and of a COz sequestering apparatus of the present invention.
Definitions Ion carbonate: CO32-Grouping carbonate: C03 Carbonate: chemical compound of formula X (C03) ", 2 where X represents any what element or combination of elements that can bind to a carbonate group where a multiple (integer) of a carbonate group and where at least one of the elements is selected from the group of chemical elements IA, IIA, IIIA, IVA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, or VIIIB of the periodic table and n is a positive integer determined so stoichiometric. X can be X "+ is a cation such as Na +, Caz +, Mgz +, Mnz +, Fez +, Fe3 +, etc. It should be noted that in alkaline medium: 1 mole of X "+ fixed n / 2 mole of C03z- and product 1 mole of X (C03) ", 2 Metallic carbonate: chemical compound of formula X (C03) ", 2 where X represents a metal. X includes, for example, without beech limited, alkali metals and metals alkaline earth and n is as defined above.
Material-XO: material or mixture of oxide-rich material XO represents a oxide and X is as defined above.
The process of the present invention is a new process of sequestration and of recycling atmospheric COz and / or liquid and / or gaseous discharges. This process uses and allows the valorization of materials rich in oxides (eg CaO, FeO, MgO, etc.) and high alkaline power as found in the slag steelworks, red mud from aluminum smelters, etc. (Table 1). These materials are produced in very large quantities (eg world production of steel slag in 1999 has reached 109 million tannes) and are inexpensive (eg the average cost of slag steelworks is $ 10 / ton). The hydration of these materials can generate spontaneously hydroxyl groups and the alkaline medium thus produced will favor the dissolution of CO2 and the transformation of the latter into C0 ~ 2 '. The CO32- will react with a or several X cations (eg X "+, eg Na '', Ca2 +, Mg2 +, Fe2 +, Al3 +, etc.) generated by the materials described above or brought to the medium, in order to produce rushed stable and recoverable such as CaCO3, MgCO3, FeCO3, etc. (Figure 3).
Table 1. Chemical composition of some targeted materials Chemical components (% average by mass) Fe0 materials Ca0 Si02 Mg0 A1203 Na2O TiO2 Slag 34 32 15 10 5 0 1 (Ispat-Sidbec) Slag 0.8 37 34 9.5 13 0.3 1 (Dofasco) Red mud 37 6 II 12 5 20 (Alcoa) Example 1 In a process where the apparatus used comprises a unit (generator / sensor), the material (or a compartment comprising the material) can be loaded into the device. The material is then hydrated with an aqueous solution fed in the unit by means of introduction. Due to the alkaline power of the material, this one releases X + and OH- ions during the hydration process (see FIGS.
5). The aqueous solution (liquid phase) becomes alkaline (eg between pH 7.5 and pH
14.0).
CO2 (or the source of CO2, eg air and / or liquid and / or gaseous discharges loaded into CO 2) is conveyed into the unit by means of introduction (eg injection). The C02 (or source of COz) then comes into contact with the aqueous solution alkaline and can therefore dissolve in this solution in the form of carbonate ion. The gas residual and / or liquid discharges, depleted in C02, can be evacuated by a medium (system) of evacuation. The carbonate ions generated by the dissolution of C02 can react with ions from, for example, the material itself or an external source forming carbonates. Ions can be, by for example, metal ions and thereby form metal carbonates. The solution aqueous solution, following the recovery of carbonates, can be re-routed to device by a recirculation system (eg closed circuit). So the solution aqueous can be (constantly) reused with each cycle of use of the device or even several times in the same cycle. It is understood that an aqueuse solution fresh can be re-injected into the device as needed. Ai, the aqueous solution may be totally changed or changed in part, depending on the characteristics of the the solution (eg pH, alkalinity, etc.). In this type of device, the sensor of C02 and the Carbonate generator are part of the same unit. The material can be contents in a compartment located inside the unit. The compartment can, by for example, to be closed in order to avoid that material get away with it but can also have thin openings to let pass a liquid or a gas or very fine particles on both sides of the wall of compartment (eg filtration unit). The device can also be equipped a way agitator, such as a system for agitating the material in order to maximize contact between the aqueous solution and the material.
The configuration shown in Figure 3 represents a single device unit may have three compartments, ie a compartment comprising (ie, up understand) the material (solid phase), a compartment comprising (ie, up include) the aqueous solution (liquid phase) and a compartment comprising (ie, may include the source of CO2 (which may be, for example, a compartment allowing a constant supply of CO2 source). According to the properties of the walls of different compartments, exchanges can be made between the sentence solid and the liquid phase and between the liquid phase and the gas phase. II
is also possible that the compartments of the liquid phase and the phase solid are constantly fed. The compartments are only illustrated title code. It is understood that their order, dimension configuration can be varied while arriving at the same result. Thus, the compartment comprising the material can himself find inside the compartment comprising the aqueous solution and these two compartments may be inside the compartment including the source of CO2. Conversely, the compartment comprising the CO 2 source may be inside of that comprising the aqueous solution and both can be located in the interior of that including the material. Other configurations are envisaged and are included in the present invention.
The carbonate recovery system (carbonate collector) can understand means known in the art, such as a filter press, a pool of decantation, a vortex, a separation booth, a hydrocyclone, a screw unending, etc.
Figure 3 also illustrates a sequestration and recycling mechanism of COZ. In the case of slag, X "+ is mainly X2 +, so primary Ca2 + and Fe2 + as well; X (C03) "~ i may be calcium carbonate and iron carbonate (CaCO3, FeCO3).
The configuration shown in Figure 5 represents a single device unit without compartment defined. The material is located inside the device and may be in one form or another, ie particles in suspension, beds percolating, etc. The aqueous solution is also inside the device in contact with the material. The CO 2 source is introduced inside the apparatus. The liquid phase (aqueous solution), serving both the hydration of the materials to be alkaline and the dissolution and sequestration of CO2, is continuously supplying closed circuit unit. The circuit of the liquid phase, the level of C02 injection (air and / or rejects liquids and / or gaseous C02) as well as the level of the addition of cation shown in this figure are only indicative.
In this configuration of the apparatus of the present invention, the generator and the sensor are therefore combined into a single unit. In these circumstances, the generator / sensor can be a percolating bed or immersed static, mobile or fluidized.
The sensor generator allows both the hydration of the materials used, the dissolution of CO2 to form CO32 'and formation of stable precipitates and recoverable.
C02 and aqueous solution supply systems are not illustrated that code. Such systems are known in the art.
Example 2 In a process where the apparatus used comprises two units, the material (or a compartment including the material) can be loaded into the generator (Figure 4).
The aqueous solution is conveyed to the generator thus allowing hydration of the material. Due to the alkaline power of the material, it releases X + ions.
and OH 'when of this hydration process (see Figures 4). The aqueous solution becomes therefore alkaline (eg between pH 7.5 and pH 14.0). The alkaline medium thus formed allows the dissolution of atmospheric CO2 and / or gaseous discharge and the formation of C032. The CO 2 (or the CO 2 source) is introduced into (or brought into contact with) the sensor that is fed by the aqueous solution now become alkaline. C02, which enter in contact with the alkaline aqueous solution, can therefore be dissolved in this one and be transformed into carbonate ion. The carbonate ions thus generated can react with ions (cations) coming, for example, from the material itself or from external source thus forming carbonates. Ions can be ions metal cations and thus form metal carbonates.
So, the CO32- will react with the cation (s) (eg Na +, Ca2 +, Mg2 '', Fe2 +, Al3 +, etc.) generated by the materials described above and / or brought to the environment, in order to produce stable and recoverable precipitates such as CaCO 3, MgCO 3, FeCO 3, etc.
The configuration illustrated in FIG. 4 represents a two-unit apparatus.
The material is located inside the generator and the dissolution of C02 occurs in the sensor. The two compartments are connected by a means power supply the aqueous solution. The aqueous solution (liquid phase) is circulated between the generator and the sensor. Thus, the liquid phase, serving both hydration of alkaline materials and the dissolution and sequestration of CO2, feeds permanently, in closed circuit, the generator then the sensor. The circuit of the phase liquid, the level of C02 injection (air and / or liquid and / or gaseous discharges loaded into C02) and the level of addition of cations indicated in Figure 4 are not given as an indication.
The generator may be a percolating bed or immersed with or without mixing (eg by agitation or fluidization}. The generator can be a hydration unit of the materials by watering or immersion with or without mixing (mechanical or hydraulic). The sensor may be a percolating basin or bed, mobile or fluidized with fixing materials of the precipitate (s) formed. This unit contains the hydration solution of the materials used.
Example 3 In a process where the apparatus used comprises one or the other of the units, be a sensor (a C02 dissolution unit) or a generator (one unit hydration material) some steps are performed separately (temporally andlor physically). It is therefore understood that the step of hydration of the material and that of C02 can be exercised separately (eg in places physically separate) and therefore the device can be split into two separate units.
So, the material can be hydrated in a site where this type of material is available (eg aluminum smelter, steel plant, cement plant, serpentine mine, olivine brucite etc.) and the aqueous alkaline solution containing OH- ions and X + ions may be transported to another site where the amount of CO2 is important. C02 this source can be injected into a sensor fed by the aqueous solution alkaline from the first site. The rest of the process can be done as described above high. The opposite situation is also conceivable. That is, the source of C02 (dissolved or not, or partially dissolved) may be taken to a site where a material having an alkaline and / or oxide-rich power is available and can be treated on this site.
It is understood that the design and operation of the generator and sensor, in the configurations illustrated in Figures 3, 4 and 5 vary according to of the materials used, the C02 load to be treated, the cost and I ° effectiveness of the treatment.
The dependent parameters of the aforementioned considerations are:
- the geometry and the configuration of the generator and the sensor;
the hydration conditions of the materials used;
the recirculation conditions of the liquid phase;
- the level and techniques of C02 injection (air and / or liquid discharges and / or gaseous charged with CO2);
- the level and techniques of adding cations;
- the level and techniques of recovery of precipitates.
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Claims (7)
a. dissoudre une source de CO2 dans une solution aqueuse alcaline de manière à obtenir des ions carbonate (CO3 2-), et b. réagir lesdits ions carbonates avec des cations pouvant se lier à un groupement carbonate pour former des carbonates. 1. A process for sequestering CO2 from a CO2 source comprising the steps of;
at. dissolve a source of CO2 in an alkaline aqueous solution of way to obtain carbonate ions (CO3 2-), and b. react said carbonate ions with cations that can bind to a carbonate group to form carbonates.
a. ajouter une solution d'hydratation à un matériau pouvant libérer des ions hydroxydes lors de son hydratation afin de former une solution aqueuse alcaline b. dissoudre une source de CO2 dans ladite solution aqueuse alcaline de manière à obtenir des ions carbonate (CO3 2-), et c. réagir lesdits ions carbonates avec une source de cations X n+ pouvant se lier à un groupement carbonate pour former des carbonates selon la formule X(CO3)n/2 ou n est un entier positif. 2. A process for sequestering CO2 comprising the steps of;
at. add a hydration solution to a material that can release hydroxide ions during hydration to form a solution aqueous alkaline b. dissolving a source of CO2 in said alkaline aqueous solution of way to obtain carbonate ions (CO3 2-), and vs. react said carbonate ions with a source of X n + cations bind to a carbonate group to form carbonates according to the formula X (CO3) n / 2 where n is a positive integer.
a. ajouter une solution d'hydratation à un matériau pouvant libérer des ions hydroxydes et des cations X n+ lors de son hydratation afin de former une solution aqueuse alcaline contenant des cations X n+, b. dissoudre une source de CO2 dans ladite solution aqueuse alcaline de manière à obtenir des ions carbonate (CO3 2-), et c. réagir lesdits ions carbonates avec lesdits cations X n+ pouvant se lier à
un groupement carbonate pour former des carbonates selon la formule X(CO3)n/2 ou n est un entier positif. 3. A process for sequestering CO2 comprising the steps of;
at. add a hydration solution to a material that can release hydroxide ions and X n + cations during its hydration in order to forming an alkaline aqueous solution containing X n + cations, b. dissolving a source of CO2 in said alkaline aqueous solution of way to obtain carbonate ions (CO3 2-), and vs. react said carbonate ions with said X n + cations which can bind to a carbonate group to form carbonates according to the formula X (CO3) n / 2 where n is a positive integer.
a. ajouter une solution d'hydratation à un matériau à pouvoir alcalin et riche en oxyde de manière à former une solution aqueuse alcaline, b. dissoudre une source de CO2 dans ladite solution aqueuse alcaline de manière à obtenir des ions carbonate (CO3 2-), et c. réagir lesdits ions carbonates avec des cations pouvant se lier à un groupement carbonate pour former des carbonates. 4. A process for sequestering CO2 comprising the steps of;
at. add a hydration solution to an alkaline material and rich in oxide so as to form an alkaline aqueous solution, b. dissolving a source of CO2 in said alkaline aqueous solution of way to obtain carbonate ions (CO3 2-), and vs. react said carbonate ions with cations that can bind to a carbonate group to form carbonates.
a. Au moins un compartiment pouvant contenir une solution aqueuse alcaline, b. Un moyen d'introduction d'une source de CO2 dans ledit compartiment, c. Un moyen de contact entre ladite source de CO2 avec ladite solution aqueuse alcaline, et d. Un moyen d'évacuation de ladite source de CO2 appauvrie en CO2. 5. Apparatus for sequestering CO2, said apparatus comprising;
at. At least one compartment that may contain an aqueous solution alkaline, b. Means for introducing a source of CO2 into said compartment, vs. A means of contact between said source of CO2 with said solution aqueous alkaline, and d. A means of evacuation of said source of CO2 depleted in CO2.
a. Au moins un premier compartiment pouvant contenir une solution aqueuse alcaline, b. Au moins un deuxième compartiment pouvant contenir une source de CO2, c. Un moyen de contact entre le contenu du premier compartiment et le contenu du deuxième compartiment, d. Un moyen d'introduction d'une source de CO2 dans ledit deuxième compartiment, et e. Un moyen d'évacuation de ladite source de CO2appauvrie en CO2. An apparatus for sequestering CO2, said apparatus comprising;
at. At least one first compartment that can contain a solution aqueous alkaline, b. At least a second compartment that can contain a source of CO2, vs. A means of contact between the contents of the first compartment and the content of the second compartment, d. A means for introducing a source of CO2 into said second compartment, and e. A means of evacuating said source of CO 2 depleted in CO2.
a. Au moins un premier compartiment pouvant contenir au moins un matériau ayant un pouvoir alcalin et riche en oxydes, b. Au moins un deuxième compartiment pouvant contenir une source de CO2, c. Un moyen d'introduction d'une solution aqueuse dans ledit premier compartiment, d. Un moyen d'introduction d'une source de CO2 dans ledit deuxième compartiment, et, e. Un moyen de contact entre le contenu du premier compartiment et le contenu du deuxième compartiment.
7. Apparatus for sequestering CO2, said apparatus comprising;
at. At least one first compartment that can contain at least one material having an alkaline power and rich in oxides, b. At least a second compartment that can contain a source of CO2, vs. A means for introducing an aqueous solution into said first compartment, d. A means for introducing a source of CO2 into said second compartment and, e. A means of contact between the contents of the first compartment and the content of the second compartment.
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