Competitive CO2 capture using montmorillonite clay minerals

Abstract

Det at utsleppa av drivhussgassa, og særleg karbon dioksid, i atmosfæren fortset å auke har ein sårande innverknad på miljøet. I tillegg til å redusere utslepp er det naudsynt å finne metodar for å fange desse gassane. Det har tidligare vorte observert at nokre leire mineraler er konkurransedyktige som materiale for karbonfagst. Resultat frå tidlegare målingar med røntgendiffraksjon, Ramanspektroskopi, uealastisk nøytronspreiing og utrekningar med tettleiksfunksjonell teori av syntetisk leire viser at dei tek opp karbon dioksid. Vi ønsker å studere denne mekansimen i naturleg leire, med hensikt om å skape ein basis til industriell karbonfangst. I denne oppgavå vert naturlege bentonitt og montmorillonitt leirprøvar studert, både som dei er og etter å ha vorte kationutbytta med nikkel og jern. Montmorillonittane har ein liknande krystallstruktur, men er billegare, samanlikna med dei syntetiske fluorohektorittane. Målet er å kartlegge kva for nokre leirmineraler som er dei beste kandidatane til å fange karbon dioksid. Nikkel fluorohektorittane har tidlegare vist at dei utvidar seg når dei vert utsett for trykk frå karbon dioksid gass. Utvidelsen av leirelaga vert berekna ved hjelp av røntgenmålingar som måler korleis gitteravstanden og uordenen av den endrar seg med omsyn på trykk og temperatur. Det vert også utført termogravimetrisk analyse på prøvane for å bestemme kor tørr kvar leireprøve er, når temperaturen er over 200°C. Det visar seg at Montmorilloniten nickel Crook1 og 2 har dei beste forutsetningane til å ta opp CO2, samtidig som nikkel bentonitt ikkje tek opp CO2 i det heile teke.

The continuous increase of released greenhouse gases, in particular carbon dioxide, to the atmosphere has a harmful impact on the environment. In addition to emission reduction, it is necessary to establish effective ways of capturing these gases. It has previously been proved that certain clay minerals are competitive to other relevant porous materials for carbon capture. In recent work, combined experimental results from powder x-ray diffraction, Raman spectroscopy, and inelastic neutron scattering supported by density functional theory calculations studied on synthetic clay minerals were used to look at the carbon dioxide adsorption mechanisms in a pure defect free system. For future experiments, natural clays will be investigated in the context of this new mechanism, with the purpose of establishing the base for industrial carbon capture applications. In this thesis, natural bentonite and montmorillonite clay minerals are cation exchanged with nickel and iron. The montmorillonites have a similar crystal structure and are cheaper than the synthetic fluorohectorites. The aim is to map which of the natural clay minerals take up carbon dioxide, and how the different cations enhance this mechanism. Nickel fluorohectorites and iron fluorohectorites have previously proved to swell when exposed to carbon dioxide. The swelling in clays are determined from x-ray scattering experiments, where the lattice spacing in clay minerals are determined, and the lattice spacing disorder discussed. In addition, thermogravimetric analysis measurements are useful to determine how dry a clay mineral can be when the sample temperature is above 200°C. The montmorillonites nickel Crook1 and 2 are the most promising natural clays to take up CO2, while nickel bentonite does not take up carbon dioxide at all.