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Jun 09, 2023

Calcare

By Brad Buecker, President of Buecker & Associates, LLC It is common knowledge

Di Brad Buecker, Presidente di Buecker & Associates, LLC

È risaputo che molte centrali elettriche a carbone negli Stati Uniti e in altre parti del mondo verranno dismesse in risposta alle preoccupazioni sul cambiamento climatico. Tuttavia, in alcuni paesi, le centrali a carbone forniscono ancora una parte sostanziale del fabbisogno elettrico. E, se la cattura e il sequestro del carbonio (CCS) continua ad avanzare, alcune centrali a carbone potrebbero restare con noi per gli anni a venire.

Indipendentemente dal punto di vista sull’accettabilità delle centrali a carbone, un aspetto critico continua a limitare le emissioni di anidride solforosa (SO2). Una tecnologia che esiste da decenni è lo scrubbing del calcare umido. Ma una domanda che forse molti non capiscono è: "Come può questo minerale naturale, che è un materiale da costruzione estremamente importante e ha una bassissima solubilità in acqua, servire come reagente di lavaggio in una centrale elettrica?" Questo articolo esamina la chimica unica dietro questa applicazione.

Il calcare è un deposito comune in molte località del mondo, compresi gli Stati Uniti. Il componente principale del calcare è il carbonato di calcio (CaCO3) e alcune pietre possono contenere il 95% o più di CaCO3. Il secondo in abbondanza è il carbonato di magnesio (MgCO3), che spesso costituisce solo una piccola percentuale del carbonato totale, sebbene alcune formazioni possano includere dolomite che ha una miscela molecolare uguale di carbonato di calcio e magnesio (MgCO3·CaCO3).

La dolomite è piuttosto poco reattiva negli scrubber. I calcari di qualità inferiore contengono minerali inerti come i silicati sotto forma di quarzo, scisto o argilla. Alcune pietre hanno concentrazioni minori di carbonato di ferro e/o manganese (FeCO3 e MnCO3), che possono influenzare alcuni aspetti del funzionamento dello scrubber.

Un esame della reattività del calcare nelle acque naturali fornisce una buona base (scusate il gioco di parole) per capire perché può funzionare bene negli scrubber. Consideriamo l'esperimento di laboratorio in cui si mette un campione di calcare in acqua pura con un pH pari a 7,0. Il calcare è solo leggermente solubile in acqua.

CaCO3 ⇌ Ca2+(aq) + CO32-(aq) Eq. 1

Ksp (25oC) = [Ca2+] * [CO32-] = 4,6 * 10-9 (mol/L)2 Eq. 2

Calcoli semplici indicano che la solubilità iniziale di CaCO3 secondo l'Equazione 2 è di soli 6,8 * 10-5 moli per litro (M), equivalenti a poco meno di 7 mg/L.

Tuttavia, il carbonato è una base relativamente forte e reagirà con l'acqua come segue:

CO32- + H2O ⇌ HCO3– + OH– Eq. 3

Questa influenza spinge la reazione mostrata nell'Equazione 1 un po' verso destra, dove la reazione complessiva può essere scritta come:

CaCO3(s) + H2O ⇌ Ca2+ + HCO3– + OH– Eq. 4

Per questo effetto la solubilità del CaCO3 (25°C) sale a 9,9 * 10-5 M (~ 10 mg/L), (1) che rappresenta un aumento di circa 1/3 della solubilità, ma è ancora molto lieve.

Tuttavia, questa chimica lascia due importanti domande senza risposta.

• Se la solubilità del CaCO3 è così bassa, perché molte riserve idriche naturali hanno concentrazioni di alcalinità nell'intervallo mg/l da doppia a tripla cifra? • Come potrebbe un materiale del genere essere efficace in un depuratore di gas di combustione?

Le risposte sono direttamente correlate, come esploreremo ora.

Nelle acque superficiali, l'anidride carbonica proveniente dall'atmosfera si dissolve come segue:

CO2 + H2O ⇌ H2CO3 Eq. 5

La quantità che entra nella soluzione può essere calcolata dalla legge di Henry:

KH = [H2CO3 (aq)]/P = 3,4 * 10-2 mol/L · atm (25oC), dove l'Eq. 6 P = la pressione parziale della CO2

L'attuale concentrazione atmosferica di CO2 è vicina a 420 ppm, che equivale a 0,00042 atm. Pertanto, per l'acqua neutra la concentrazione di H2CO3 è di circa 1,43 * 10-5 M, che non è molto grande.

La ricerca suggerisce che la maggior parte dell'anidride carbonica solvatata rimane come CO2 e non si dissocia. Tuttavia, una piccola quantità lo fa, secondo la seguente reazione:

H2CO3 ⇌ HCO3– + H+ Eq. 7