Study of the ferrite cycle in order to recover sodium hydroxide from an Air Capture system

Abstract

Kohlendioxid-Entfernung aus der Luft ist eine Alternative zu herkömmlichen CO2 Abscheide- und Speicherungssystemen, die eine CO2 Abscheidung aus der Umgebungsluft ermöglicht. Abgesehen davon, dass diese Art der CO2 Abscheidung, aufgrund der geringen CO2 Konzentration in der Atmosphäre, immer kostspieliger sein wird als die an große CO2-Produzenten, z.B. Kohlekraftwerke, gekoppelte CO2-Abscheidung, bietet sie auch einige Vorteile. Der CO2 Abscheidevorgang ist räumlich wie auch zeitlich nicht an die CO2-Emission gebunden. Außerdem können Anlagen gezielt dort gebaut werden, wo auch eine Speicherung des CO2 möglich ist und die Leistung der Anlage kann an die erforderlichen Bedürfnisse angepasst werden. "Air Capture" könnte somit in der Zukunft eine wichtige Rolle spielen, wenn die bestehenden Pläne zur Reduzierung von CO2 Emissionen versagen. Der CO2 Abscheidevorgang unter atmosphärischen Bedingungen erfolgt mit einer alkalischen Lösung, welche anschließend regeneriert werden muss. Dieser Vorgang ist sehr energieaufwändig und kostspielig. Das Ziel der Arbeit war es, den "Ferrite Cycle" mit Lithium-, Natrium- und Kaliumcarbonat (Li2CO3, Na2CO3 and K2CO3), auch bekannt unter "Direct Alkali Recovery System" (DARS) in der Papier und Zellstoffindustrie, hinsichtlich seiner Verwendung für ein "Air Capture" System zu untersuchen und den erforderlichen Energieaufwand für die Regeneration der alkalischen Lösung zu minimieren. Durch Probenvorbereitung mit einer Hochenergie-Kugelmühle (HEM) konnte die Kalzinierungstemperatur um mindestens 150°C gesenkt werden. Gemahlenes Li2CO3 zersetzte sich bei 450°C und Na2CO3 bei 600°C, wenn vor dem Mahlen Eisen(III)-Oxid (Fe2O3) zugemischt wurde. Weiters zeigte sich, dass LiFeO2 einen positiven Effekt auf die thermische Zersetzung von Na2CO3 und K2CO3 zusammen mit Fe2O3 besitzt. Die Verringerung der Reaktionstemperatur war proportional der zugeführten Menge an LiFeO2. Zwischen 85% und 97% Natronlauge (NaOH) konnte beim einstündigen Auslaugen von NaFeO2 rückgewonnen werden, mit höherer Kaustifizierungseffizient, wenn NaFeO2 bei geringeren Temperaturen hergestellt wurde. LiFeO2 welches in dem Temperaturbereich von 500°C bis 700°C hergestellt wurde, führte zu einem thermisch stabilen Produkt, welches mit destilliertem Wasser bei Temperaturen bis zu 100°C nicht zu Lithiumhydroxide (LiOH) regeneriert werden konnte.<br />Trotzallem kann LiFeO2 dazu verwendet werden, die Reaktion zwischen Na2CO3 und Fe2O3 zu niedrigeren Temperaturen zu verlagern, ohne die Kaustifizierungseffizienz von NaFeO2 zu verringern. Obwohl die Temperatur für die Zersetzung von NaCO3 mit Fe2O3 zu NaFeO2 auf 600°C gesenkt werden konnte, ist eine praktische Anwendung in einer "Air Capture" Anlage unwahrscheinlich, da der Energieaufwand noch immer beträchtlich und die Reaktionsgeschwindigkeit gering ist.<br />

Air capture is an alternative to conventional CO2 capture and storage systems to capture CO2 from ambient air. Despite the fact that Air capture will always be more expensive than CO2 capture from large point CO2 sources, it offers several benefits - CO2 capture is separated from emission, past CO2 emission can be removed and it can take advantage of economic scale. The CO2 capture step under atmospheric conditions based on an alkali hydroxide spray is low priced compared to some other methods, but the high energy demand for the regeneration of the alkali hydroxide solution is a big obstacle to overcome for practical use in air capture applications. Therefore the ferrite cycle with lithium-, sodium- and potassium carbonate (Li2CO3, Na2CO3 and K2CO3), known as the Direct Alkali Recovery System (DARS) in the pulp and paper industry, has been investigated. Sample preparation with high energy ball-milling reduced the calcination temperature of Li2CO3 and Na2CO3 at least by 150°C. Ball-milled Li2CO3 and Na2CO3 with iron oxide (Fe2O3) started decomposing at 450°C and 600°C, respectively. It was also found that lithium ferrite (LiFeO2) had a promoting effect on thermal decomposition of Na2CO3/K2CO3 with Fe2O3. The decrease in reaction temperature was equal to the amount of LiFeO2 added. Between 85% and 97% sodium hydroxide (NaOH) could be recovered by leaching sodium ferrite (NaFeO2) for 1 hour, with higher causticization efficiencies when NaFeO2 was synthesized at lower temperatures.<br />Synthesized LiFeO2 in the temperature range of 500°C to 700°C led to a thermally stable product, which couldn´t be regenerated to lithium hydroxide (LiOH) with DI Water at temperatures up to 100°C. However, it was found that LiFeO2 can be used as a promoter, shifting the reaction between Na2CO3 and Fe2O3 to lower temperature, without decreasing the causticization efficiency of NaFeO2. Despite the results achieved, the adaption of the iron cycle for an air capture application is unlikely, because the energy demand is still very high and the reaction rate is slow at low temperatures.