Enhancing Aqueous Carbonation of Calcium Silicate through Acid and Base Pretreatments with Implications for Efficient Carbon Mineralization

碳化作用 水溶液 化学 溶解 矿化(土壤科学) 二氧化碳 化学工程 碳化 硅酸盐 无机化学 核化学 有机化学 氮气 工程类
作者
Hang Zhai,Qiyuan Chen,Mehmet Yılmaz,Bu Wang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (37): 13808-13817
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c03942
摘要

Carbon dioxide (CO2) mineralization based on aqueous carbonation of alkaline earth silicate minerals is a promising route toward large-scale carbon removal. Traditional aqueous carbonation methods largely adopt acidification-based approaches, e.g., using concentrated/pressurized CO2 or acidic media, to accelerate mineral dissolution and carbonation. In this study, we designed and tested three distinctive routes to evaluate the effect of pretreatments under different pH conditions on aqueous carbonation, using amorphous calcium silicate (CS) as an example system. Pretreating CS with high concentrations (100 mM) of HCl (Route I) or NaOH (Route II and III) enhanced their carbonation degrees. However, NaOH pretreatment overall yielded higher carbonation degrees than the HCl pretreatment, with the highest carbonation degree achieved through Route III, where an extra step is taken after the NaOH pretreatment to remove the solution containing dissolved silica prior to carbonation. The HCl and NaOH pretreatments formed different intermediate silica products on the CS surface. Silica precipitated from the HCl pretreatment had a minimal effect on the carbonation degree. The high Ca/Si ratio intermediate phases formed from the NaOH, on the other hand, can be readily carbonated. In contrast to commonly utilized acidification-based approaches, basification offers a more promising route to accelerate aqueous carbonation as it can mitigate the need for costly pH swing and high-concentration/pressurized CO2. The key to aqueous carbonation under basic conditions, as suggested by this study, is the control of aqueous silica species that have a suppressing effect on carbonation. Overall, this study highlights the critical needs for investigations of aqueous mineral carbonation in a broader pH region.
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