Carbonatación de residuos de la construcción como alternativa para la reducción de co2. Posible aplicación al almacenamiento de CO2 en canteras restauradas con residuos

Abstract

Las constantes emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) han hecho necesario el desarrollo de tecnologías y medidas que permitan reducir las emisiones de estos gases a la atmósfera. Organizaciones internacionales han establecido constantes metas para la reducción de sus emisiones debido al inevitable efecto perjudicial de estos gases en el sistema climático terrestre, especialmente el aumento de la temperatura media global y sus dramáticas consecuencias, el bien conocido cambio climático. Es por ello que se han tomado una serie de medidas vinculadas principalmente en el cambio o mejora del rendimiento de la producción de energía, habitualmente procedente de la quema de combustibles fósiles. Si bien, en 2005, el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, el IPCC (sigla del inglés Intergovernmental Panel on Climate Change) estableció como estrategia en desarrollo los sistemas de captura y almacenamiento de CO2 (CAC) como una tecnología de reducción de las emisiones de estos gases. Siguiendo esta filosofía, el proyecto de investigación de esta tesis doctoral combina dos de las bases de la CAC, la carbonatación mineral y el almacenamiento geológico en bajas profundidades y condiciones superficiales de presión y temperatura. Para ello se empleará como material de partida para la carbonatación residuos de la construcción, concretamente ladrillos al ser uno de los componentes mayoritarios de estos residuos; ya que estos residuos están altamente disponibles y proporcionándoles una segunda vida útil, es decir, dándoles un valor añadido que no tenían. Junto al hecho de que son baratos y presentan un tamaño de partículas en almacenaje apropiados lo que hace que el proceso sea sostenible económica y medioambientalmente. En la primera parte de la memoria de tesis se estudiará la viabilidad del método propuesto sobre tres tipos diferentes de ladrillos comúnmente utilizados en la construcción de edificios y viviendas. Se han establecido las transformaciones mineralógicas implicadas en el proceso de carbonatación mineral en presencia de humedad, así como los mecanismos que se dan para lograr la fijación del CO2 en condiciones de media-baja presión (10 bares) y temperatura ambiente para diferentes tamaños de partículas representativo y a diferentes tiempos de reacción a escala laboratorio. Para ello fue necesario la caracterización de la materia prima de partida y el seguimiento de los ensayos de carbonatación, cuantificándose el valor de CO2 retenido. Para la segunda parte se ha diseñado una cámara de reacción a escala planta piloto, en la cual se pretende imitar el proceso en el que se recupera una cantera de arcilla agotada o en desuso utilizando como relleno estos residuos de la construcción e inyectando directamente una corriente de CO2, a bajas presiones y temperatura ambiente. Estos ensayos combinan la carbonatación mineral y los principios del almacenamiento geológico en superficie. Se utilizó el ladrillo que se consideró que dio mejor rendimiento en los ensayos a escala laboratorio como material de relleno (huésped) y margas azules como roca de sellado. De nuevo se realizó el seguimiento de la reacción de carbonatación y su evolución en el tiempo durante un año, así como se determinaron los mecanismos implicados en la carbonatación de ladrillos y la interacción del CO2 con las margas.

The constant emissions of greenhouse gases (GHG) have made it necessary to develop technologies and measures to reduce emissions of these gases into the atmosphere. International organizations have established constant objectives for the reduction of their emissions due to the inevitable harmful effect of these gases in the earth’s climate system, especially the increase of the global average temperature and its dramatic consequences, the well-known climate change. It is for this reason that a series of measures have been taken, mainly related to the change or improvement of the efficiency of energy production, usually coming from the burning of fossil fuels. Although, in 2005, the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) established CO2 capture and storage (CCS) systems as a technology for reducing emissions of these gases as a development strategy. Following this philosophy, the research project of this PhD thesis combines two of the bases of CCS, mineral carbonation and geological storage at lower depths and surface pressure and temperature conditions. For this purpose, the construction and demolition waste will be used as a starting material for carbonation, specifically bricks as they are one of the main components of this waste. Since these wastes are highly available and provide them with a second useful life, in other words, giving them an added value that they did not have. Together with the fact that they are cheap and have an appropriate particle size in storage make the process economically and environmentally sustainable. In the first part of this thesis project, the feasibility of the proposed method will be studied on three different types of bricks commonly used in the construction of buildings and dwellings. Establishing the mineralogical transformations involved in the process of mineral carbonation in presence of water, as well as the mechanisms that are given to achieve the fixation of CO2 in conditions of medium-low pressure (10 bars) and ambient temperature for different sizes of representative particles and at different reaction times at laboratory scale. In order to do this, it was necessary to characterize the starting raw material and monitor the carbonation tests, quantifying the retained CO2 value. For the second part, a reaction chamber was designed, a pilot plant scale, such as to imitate the recovery of a depleted or disused clay quarry, using as filled these construction wastes and directly injecting a flow of CO2, at low pressures and ambient temperature. These experiments combine mineral carbonation and the principles of geological storage. The brick considered to have performed best in the smaller scale tests (laboratory scale) was used as a filler (host material) and blue marls (common clay) as sealing rock. Again, the carbonation reaction and its evolution over time were monitored, as well as the mechanisms involved the briks reactivity and the interaction of CO2 with the clay layer.