CO2 Capture and Storage in Fluorohectorite Clay. Role of Pressure, Temperature and Interlayer Cation: XRD Studies

Abstract

Som konsekvens av aukande CO2 utslepp i atmosfæren vert fleire teknologiar innanfor karbonfangst og lagring undersøkt. I denne samanhengen vert også leiremineral studert på grunn av deira evner til å absorbere CO2, i tillegg til å vere billeg og miljøvenleg. I dette arbeidet har absorpsjon og retensjons eigenskapane til den syntetiske leira fluor-hektoritt vorte studert med røntgendiffraksjon på to synkrotron fasilitetar. I tillegg har rolla til dei ladningskompenserande kationa i absorpsjonen vorte undersøkt. Kationa som vart brukt var Ni2+, Li+, Na+, Ba2+, Cs+ og Ca2+.

Ei spesiallaga prøvecelle mogleggjorde bruken av glaskapillarar i målingar med trykksatt CO2, der det høgaste trykket var 50 bar. Temperaturen vart kontrollert med ein kryo-jet retta mot kapillaren, og var mellom 203 K og 423 K.

Resultata visar at pulvera NiFh, LiFh og NaFh absorberer CO2. Det kritiske trykket for NiFh som set i gang ein overgang frå tørr NiFh til eit lag med CO2 mellom leirelaga, vart observert til å vere 12 bar ved 300 K. Den endelege basale avstanden på 12.29 Å vart derimot ikkje nådd før trykket vart 40 bar. Likeeins vart eit anna eksperiment utført kor trykket vart halde konstant på 1 bar samstundes som temperaturen vart senka. Her vart overgangen for NiFh observert ved 233 K. Full absorpsjon med ein basal avstand på 12.32 Å vart nådd ved 213 K. Retensjonseigenskapane vart undersøkt ved oppvarming av prøva, og NiFh heldt på karbondioksida til 263 K. Tilsvarande verdiar for LiFh er 20 bar og 253 K for absorpsjon, medan frigjevinga av CO2 vart utløyst ved 268 K og 1 bar, og fullført ved 343 K og 1 bar. NaFh absorberte CO2 ved eit trykk på 20 bar og ein temperatur på 253 K, men ingen oppvarming vart utført for denne prøven.

Desse undersøkingane har bestemt vilkåra for absorpsjon og retensjon av CO2 i NiFh og LiFh. Undersøkingane har også demonstrert at absorpsjonen er hurtig (~ min) etter energibarriera er passert. NaFh visar også teikn til å absorbere CO2, noko som indikerer at absorbasjonen er sterkt avhengig av det ladningskompenserande kationet. Absorbasjon av CO2i leirer som NiFh og LiFh er lovande i samanheng med karbonfangst og lagringsteknologi. Spesielt interessant er bruken av leire som adsorberande materiale i industrien. I tillegg er auka lagringskapasitet i geologiske formasjonar fordelaktig.

Addressing the growing issue of CO2 emission into the atmosphere, different technologies within Carbon Capture and Storage are being investigated. Clay minerals are likewise studied in this context due to their ability to absorb CO2, in addition to being cheap and environmental friendly. In this work, CO2 intercalation and retention in synthetic fluorohectorite clay has been studied through powder X-ray diffraction (XRD) at two synchrotron facilities. Additionally, the role of the charge compensating cations on the intercalation was probed. The cations used were Ni2+, Li+, Na+, Ba2+, Cs+ and Ca2+.

A custom sample cell allowed the use of glass capillaries during measurements with pressurized CO2, where the highest pressure applied was 50 bar. Temperature was controlled through a cryojet directed at the capillary, and was between 203 K and 423 K.

The results reveal that NiFh, LiFh and NaFh absorb CO2. For NiFh the critical pressure inducing a transition from dry NiFh to one layer of CO2 intercalated was observed to be 12 bar at a temperature of 300 K. However, the final basal spacing of 12.29 Å was not achieved until pressure reached 40 bar. Similarly, an experiment was performed keeping the pressure constant at 1 bar while reducing the temperature. This displayed initiation of a transition in NiFh at 233 K. Full intercalation with a basal spacing of 12.32 Å was reached at 213 K. The retention properties were investigated by heating the sample, and CO2 release was observed at 263 K. The corresponding values for LiFh are 20 bar and 253 K for intercalation, while the release was induced at 268 K and 1 bar and completed at 343 K and 1 bar. NaFh intercalated CO2 at 20 bar and 253 K, but no release experiment was performed on this sample.

In conclusion this investigation has determined the conditions for intercalation and retention of CO2 in NiFh and LiFh. Intercalation was found to be quite rapid (~ min) once the energy barrier was breached. For NaFh there was also observed signs of intercalation, showing that intercalation dynamics strongly depend on the interlayer cation. Intercalation of CO2 into clays such as NiFh and LiFh is promising for use in carbon capture and storage technology. Especially interesting is the utilization of clays as adsorbents in industry. Also increased capacity for CO2 storage in geological sites is beneficial.