Interactions of CO2 with fluorohectorite clays

Abstract

Vi lever i en verden hvor de globale langtids konsekvensene av menneskelig aktivitet på kloden er blitt en voksende kilde for bekymring. Flere mulige teknologier utforskes for å redusere drivhusgass utslippene samt for fjerne en del av gassen som allerede befinner seg i atmosfæren. En av de mulige teknologiene, er bruken av leire mineraler, da noen leiretyper har som karakteristikk at de adsorberer CO2 ved riktige trykk og temperaturer.

I denne oppgaven studeres en syntetisk smectite leire, av typen fluorohektorit. I tillegg til at det er mye leire på kloden er denne også billig og ikke miljøskadelig. Oppførselen til leiremineralene ble utforsket ved å bruke et vidvinkel røntgen pulver sprednings oppsett ved universitetet. Et trykk og temperatur kontrolsystem ble videreutviklet til å kunne automatisk kontrollere trykket ved å følge trykkstegskript. I tillegg ble muligheten til å styre temperaturen dynamiskt lagt til. Temperaturen kan nå settes til å følge tidsavhenging lineære kurver og stegkurver. En ny trykksensor ble lagttil oppsetet, som kan måle fra vakumm opp til 2.5 bar med en usikkerhet på ±0.005 bar. Til sist, ble en ex situ tørkestajon lagt til slik at prøver kan tørkes mens målinger pågår.

Leireprøver med Nickel og Natrium i mellomlagsområdet ble brukt i forsøkene. NiFh med lagladning på 0.7, 0.5 og 0.3 ble utsatt for CO2 trykk syklusser ved 288 K, syklusene startet ved vakum, gikk opp til 50 bar og ned ingen til vakuum. NiFh 0.5 ble utsatt for en lignene sykklus ved 274 K, 300 K of 323 K, for å se effekten temperatur har på leiren. I tillegg til disse forsøkene, ble adsorbsjonsraten ved forskellig strykkstegslengder sett på for NiFh 0.5. NaFh ble utsatt for CO2 ved froskjellige trykk og temperaturer for å se om den interkalerer CO2. Til sist, ble effekten av interkalert vann på CO2 leire interaksjonene sett på for både NiFh 0.5 og NaFh.

Det ble funnet at bredden og position til hysteresen som formes under trykksyklusen er avhening av lagladningen og temperaturen til prøven. En økning av temperaturen, øker adsorpsjon og desorpsjons terskelen, på samme måte som en økning i temperatur vil øke kondensasjons og koke trykket til CO2. Når lagladningen øker, øker bredden til hysteresen ved å, for det meste, øke trykke til adsorbsjons terskelen. Dette kan skyldes av at en økning i lagladningen vil øke hvor mye lagene tiltreker hverandre, som vil øke trykke som skal til får å svelle leiren. Dette har mindre inflytelse på desorbsjons terskelen da CO2 som har kommet seg inn i leiren vill være stærkere holdt igjen av en øket ladning. Det ble vist at leiren har repeterbare resultater, selv etter å ha blitt utsatt for CO2 flere ganger. Mellom tørking, ser det ut til at interkalering av gassen er fasilitert av at leire har tidligere vært utsatt for en CO2 syklus.

We are living in a world where the long lasting impact from human activities on the planet have become an increasing concern. Several carbon capture and storage technologies are being investigated to decrease the CO2 emission and absorb some of it out of the atmosphere. One of the potential technologies that is being investigated is the use of certain clay minerals. This is due to their ability adsorb CO2 at the right temperatures and pressures.

In this thesis synthetic smectites, called fluorohectorite, are studied.Advantages of using clay minerals for carbon capture are, among others, their abundance in nature, their price point and their non toxicity. The samples are investigated using a wide angle powder X-ray diffraction setup at the university, NTNU. A pressure and temperature control setup was expanded to include automatic control of the pressure by following predetermined pressure scripts. In addition, the possibility for dynamical temperature control, using both step and linear time depended setpoints, was added. The setup was also expanded by adding a pressure sensor, which allows for measurements down to vacuum with a precision of ±0.005 bar. Finally, an ex situ drying station was commissioned to allow for externally drying samples while performing other measurements.

Clays with Nickel and Sodium as interlayer cations were used. A pressure cycle, which went for vacuum up to 50 bar and back down to vacuum, was performed on NiFh with three different layer charges, 0.7, 0.5 and 0.3 layer charge per formula unit. A similar ramp was performed at three different temperatures 323 k, 300 k and 274 K on NiFh 0.5. In addition, CO2 exposures on different timescales where done on the NiFh 0.5. NaFh was exposed to CO2 at different pressures and different temperature, up to several days for each setting. Finally, the effect of intercalated water on the interaction with the CO2was investigated both on NiFh 0.5 and NaFh.

In conclusion, it was found that the width and position of the hysteresis formed during the pressure cycles were dependent on the temperature and layer charge of the clay. An increase in temperature led to an increases of both the adsorption and desorption thresholds, in the same manner as an increase in temperature would increase the condensation and boiling pressure of the CO2. Increasing the charge mostly affect the position of the adsorption threshold. This is believed to be caused by an increase of the interaction between the platelets and the cation layer, hindering the intercalation of the gas. Once it has intercalated, the increase in charge also increases the interaction of the clay with the gas, keeping the desorption threshold down. The clay was found to have repeatable results, even after several expositions to CO2. Between drying cycles, it would seem the intercalation of CO2 was facilitated if the clay had previously adsorbed and desorbed CO2.