Mécanismes et verrous de la carbonatation minérale du CO2 en voie aqueuse

Development of an Innovative Mineral carbonation Process for CO2 Capture and Storage

• Auteur / Autrice : Benjamin Bonfils
• Direction : Florent Bourgeois, Carine Julcour-Lebigue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et de l'environnement
• Date : Soutenance le 29/03/2012
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)

Mots clés

Mots clés libres

Carbonatation minérale

Silicates magnésiens

Co2

Simulation géochimique

Oxalate

Mineral carbonation

Magnesium silicate

Co2

Oxalate

Geochemical modelling

Résumé

La carbonatation minérale est une technique alternative de capture et stockage du CO2 anthropique. L'abondance des matériaux carbonatables sur terre en fait une solution à fort potentiel. En particulier, la carbonatation directe en voie aqueuse a été présentée dans la littérature comme la voie la plus intéressante d'un point de vue énergétique pour la carbonatation minérale ex-situ, à la condition que les cinétiques naturellement lentes de dissolution des silicates magnésiens en phase aqueuse puissent être accélérées de plusieurs ordres de grandeur. Cette thèse étudie en détail les verrous et mécanismes de cette réaction en présence d'additifs organiques tels que l'oxalate, connus pour leur capacité à accélérer la dissolution des silicates magnésiens. Dans un premier temps, la carbonatation en voie aqueuse sans additif d'une olivine modèle est étudiée de manière à mettre en évidence la nature des phénomènes limitants. Ensuite le travail se concentre sur l'étude du rôle de l'additif oxalate à travers des essais spécifiques et une analyse fine de la phase solide. Il est démontré que pour différentes concentrations de suspension et sous 20 bar de CO2, cet additif conduit à la formation de complexes aqueux stables du magnésium avec l'oxalate et à la précipitation de MgC2O4,2H2O (glushinskite), qui empêchent toute précipitation quantitative de magnésite. La simulation géochimique complète du système a été réalisée et a permis d'expliquer les résultats des essais par un mécanisme de dissolution à grain rétrécissant. L'extension de l'étude à un autre silicate (harzburgite) et à d'autres ligands organiques accélérateurs de la dissolution des silicates tels que le citrate et l'EDTA n'a pas non plus permis d'obtenir la formation quantitative de carbonate, à cause d'une forte complexation en phase aqueuse du Mg extrait du minerai. Ces travaux remettent en doute la perspective de développement d'un procédé industrialisable de minéralisation du CO2 en présence d'additifs organiques.

Mineral carbonation is an interesting option for mitigation of anthropogenic CO2 emissions. Direct aqueous mineral carbonation has been presented by many as a promising strategy for ex-situ mineral carbonation, on the basis that organic additives such as oxalate increase the rate and extent of dissolution of magnesium silicates several folds. This thesis discusses and extends the current understanding of this process through geochemical modelling and detailed solid characterization. First, mineral carbonation is investigated in water alone, without additives, in order to understand and quantify the actual limitations of the process with specific magnesium silicate ores. Dissolution kinetics being critical with this process, the role of disodium oxalate as a dissolution accelerating agent is thoroughly examined with olivine, through dedicated experiments and comprehensive analysis of both solid and liquid phases. Under 20 bar of CO2, and irrespective of the conditions used, it is found that the formation of strong oxalate-magnesium complexes in solution and precipitation of MgC2O4,2H2O (glushinskite) impede any chance of precipitating significant amounts of magnesium carbonate. Geochemical modelling permits successful simulation of the dissolution kinetics of magnesium silicate using a shrinking particle model. Other promising ligands from a dissolution perspective, namely citrate and EDTA, were also investigated. Contrary to oxalate, these do not form any solid by-products with magnesium, and yet they do not produce better carbonation results. The results and findings from this work cast strong doubts about the possibility of developing a viable direct aqueous mineral carbonation process using organic salts.