MARC

 008240612s2023      us  |||||||||||||||c||eng  d
■001000016935947
■00520240214102125
■006m          o    d                
■007cr#unu||||||||
■020    ▼a9798380598378
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI30690632
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a660
■1001  ▼aBustillos,  Steven  Juan.
■24510▼aImplementation  of  Ion  Exchange  Processes  on  Industrial  Waste  Streams  for  Carbon  Dioxide  Mineralization▼h[electronic  resource]
■260    ▼a[S.l.]:▼bUniversity  of  California,  Los  Angeles.  ▼c2023
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2023
■300    ▼a1  online  resource(142  p.)
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-04,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Simonetti,  Dante  A.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  California,  Los  Angeles,  2023.
■506    ▼aThis  item  must  not  be  sold  to  any  third  party  vendors.
■520    ▼aSequestration  of  CO2  within  stable  mineral  carbonates  (e.g.,  CaCO3)  represents  an  attractive  emission  reduction  strategy  as  it  offers  a  leakage-free  alternative  to  geological  storage  of  CO2  in  an  environmentally  benign  form.  However,  the  pH  of  aqueous  streams  equilibrated  with  gaseous  streams  containing  CO2  (pH    8).  Traditionally,  alkalinity  is  provided  by  a  stoichiometric  reagent  (e.g.,  NaOH)  which  renders  these  processes  environmentally  hazardous  and  economically  unfeasible.  This  work  investigates  the  use  of  regenerable  ion-exchange  materials  to  induce  alkalinity  in  CO2-  saturated  aqueous  solutions  such  that  the  pH  shift  required  for  mineralization  occurs  without  the  need  for  stoichiometric  reagents.  Na+  -H+  exchange  isotherms  (at  [H+  ]  =  10-8  -10-1  M)  and  rates  were  measured  for  13X  and  4A  zeolites  and  TP-207  and  TP-260  organic  exchange  resins  in  batch  equilibrium  and  fixed-bed  exchange  experiments,  respectively.  At  solutions  equilibrated  with  CO2  at  1.0  atm  (pH  =  3.9),  H+  exchange  capacities  for  the  materials  were  similar  (1.7-2.4  mmol  H+  /g  material)  and  resulted  in  pH  increases  from  3.9  to  greater  than  8.0.  Multi-component  mixtures  using  Ca2+  and  Mg2+  cations  (at  10-3  -10-1  M)  in  CO2-saturated  water  were  used  to  probe  competitive  ion  exchange.  The  presence  of  divalent  cations  in  solution  inhibited  H+  exchange,  reducing  capacities  to  as  low  as  0.2  mmol  H+  /g  for  both  resins  and  zeolites.  Dynamic  H+  exchange  capacities  in  fixed-bed  ion  exchange  columns  were  similar-to  equilibrium  values  for  resins  (~1.5  mmol/g)  and  zeolites  (~0.8  mmol/g)  using  inlet  solutions  that  were  equilibrated  with  gaseous  streams  of  CO2  at  1.0  atm.  For  the  four  ion  exchange  materials  studied  (e.g.,  ion  exchange  resins  and  synthetic  zeolites),  quasi-chemical  linear  driving-force  approximations  that  are  in  first  order  in  solid-phase  capacity,  effectively  model  contaminant  breakthrough  curves.  Experimentally  determined  rate  parameters  reflect  those  determined  from  pore  diffusion  with  pellets:  0.091  s-1  for  R-1,  0.06  s-1  for  R-2,  0.04  s-1  for  Z-1,  and  0.025  s-1  for  Z-2,  particles  larger  than  500  µm.  Predictive  H  +  titration  capacities  for  these  ion  exchange  materials  were  within  5%  difference  of  experimentally  determined  H+  titration  capacities:  0.81  mmol  H+  g-1  of  R-1,  0.68  mmol  H+  g-1  of  R-2,  0.26  mmol  H+  g-1  of  Z-1,  and  0.18  mmol  H+  g-1  of  Z-2  for  pCO2  =  0.12  atm  equilibrated  inlet  streams.  These  studies  demonstrate  that  linear  driving-force  approximations  can  model  experimentally  determined  H+  removal  parameters.  Additionally,  experimental  calcite  precipitation  from  mixing  the  alkaline  CO32-  -rich  water  solution  obtained  from  the  ion-exchange  column  with  a  synthetic  liquid  waste  stream  solution  achieved  thermodynamic  maximum  yields.Geochemical  and  process  modeling  software  was  used  to  identify  thermodynamically  optimum  conditions  and  to  quantify  the  energy  intensity  and  CO2  reduction  potential  of  a  process  that  sequesters  CO2  (dissolved  in  wastewater)  as  solid  calcium  carbonate  (CaCO3).  CaCO3  yields  are  maximized  when  initial  calcium  to  CO2  ratios  in  the  aqueous  phase  are  1:1.  The  energy  intensity for  the  ion  exchange  process  (0.22  -  2.10  Megawatt-hour  per  tonne  of  CO2  removed  (MWh/tCO2))  is  dependent  upon  the  concentration  of  CO2  in  the  gas  phase  (i.e.,  5-50  vol%)  and  the  produced  water  composition,  with  nanofiltration  and  reverse  osmosis  steps  used  to  recover  magnesium  and  sodium  ions  contributing  the  largest  energy  requirements  (0.07  -  0.80  MWh  per  t-CO2  removed).  Energy  consumption  was  minimized  under  conditions  where  CaCO3  yields  were  maximized  for  all  produced  water  compositions  and  CO2  concentrations.  The  ratio  of  net  CO2  to  gross  CO2  removal  for  the  process  ranged  from  0.05  to  0.90,  indicating  a  net  CO2  reduction  across  all  conditions  studied.Furthermore,  this  ion  exchange  process  was  scaled  up  to  treat  300  L  of  produced  water  brine  (oiland  gas-associated  wastewater)  per  day  for  CO2  mineralization.  Produced  water  brines  are  optimal  for  this  process  because  these  brines  are  (Mg2+,  Ca2+)-rich,  suitable  for  CO2  mineralization,  and  Na+  -rich,  optimal  for  regeneration  of  the  spent  ion  exchange  solids  used  to  induce  a  pH  swing.  Proton  titration  capacities  were  quantified  for  aqueous  streams  in  equilibrium  with  gas  streams  at  various  concentrations  of  CO2  (pCO2  =  0.03  -  0.20  atm;  0.10  -  0.81  mmol  H+  per  g  ion  exchange  solid)  and  at  various  flow  rates  (0.5  -  2.0  L  min-1  ;  in  equilibrium  with  0.12  atm  gas  phase  CO2;  0.65  mmol  H+  per  g  ion  exchange  solid).  Utilizing  inlet  CO2  concentration  at  0.12  atm,  0.5  -  3.5  g  CaCO3  per  L  produced  water  was  precipitated,  resulting  in  energy  intensities  between  30  -  65  kWh  per  tonne  of  CO2  sequestered  from  pumping  and  effluent  mixing.  The  energy  intensity  of  the  process  was  dependent  on  volume  ratios  of  the  higher  alkaline,  ion-exchanged  CO2  stream  and  alkaline  cation-rich  produced  water  used  to  precipitate  CaCO3.  Thermodynamic  simulations  for  precipitated  CaCO3  formation  were  validated  through  this  system,  with  calcite  as  the  primary  precipitated  CaCO3  phase  (97%)  and  3%  FeO  solids  from  produced  water.  A  life  cycle assessment  was  performed  to  analyze  the  net  carbon  emissions  of  the  technology  for  two  produced  water  compositions  in  equilibrium  with  gas  streams  at  various  CO2  partial  pressures  (pCO2  =  0.03  -  0.20  atm)  which  indicated  a  net  CO2  reduction  for  pCO2  ≥  0.12  atm  (-0.06  to  -0.39  kg  CO2e  per  kg  precipitated  CaCO3)  utilizing  calcium-rich  brines.  The  results  from  this  study  indicate  the  ion  exchange  process  can  be  used  to  provide  alkalinity  for  the  precipitation  of  carbonate  solids  for  most  of  the  CO2  concentrations,  thereby  opening  a  pathway  toward  sustainable  and  economic  mineralization  processes.
■590    ▼aSchool  code:  0031.
■650  4▼aChemical  engineering.
■650  4▼aIndustrial  engineering.
■650  4▼aMineralogy.
■653    ▼aCalcium  carbonate
■653    ▼aCarbon  dioxide
■653    ▼aEnergy
■653    ▼aIon  exchange
■653    ▼aMineralization
■690    ▼a0542
■690    ▼a0411
■690    ▼a0546
■71020▼aUniversity  of  California,  Los  Angeles▼bChemical  Engineering  0294.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-04B.
■773    ▼tDissertation  Abstract  International
■790    ▼a0031
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2023
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T16935947▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.
■980    ▼a202402▼f2024

미리보기

내보내기

chatGPT토론

Ai 추천 관련 도서