Новости

Jun 09, 2023

Известняк

Брэд Бюкер, президент Buecker & Associates, LLC. Общеизвестно, что

Брэд Бьюкер, президент Buecker & Associates, LLC

Общеизвестно, что многие угольные электростанции в Соединенных Штатах и ​​других частях мира выводятся из эксплуатации в ответ на опасения по поводу изменения климата. Однако в некоторых странах угольные электростанции по-прежнему обеспечивают значительную часть потребностей в электроэнергии. И если улавливание и секвестрация углерода (CCS) продолжит развиваться, некоторые угольные электростанции могут остаться с нами на долгие годы.

Независимо от точки зрения на приемлемость угольных электростанций, критическим аспектом по-прежнему остается ограничение выбросов диоксида серы (SO2). Технология, позволяющая добиться этого, существующая уже несколько десятилетий, — это очистка мокрым известняком. Но вопрос, который может быть непонятен многим: «Как может этот природный минерал, который является чрезвычайно важным строительным материалом и имеет очень низкую растворимость в воде, служить промывным реагентом на электростанции?» В этой статье рассматривается уникальная химия, лежащая в основе этого приложения.

Известняк является распространенным месторождением во многих регионах мира, включая США. Основным компонентом известняка является карбонат кальция (CaCO3), а некоторые камни могут содержать 95% и более CaCO3. На втором месте по распространенности находится карбонат магния (MgCO3), который часто составляет лишь небольшой процент от общего количества карбонатов, хотя некоторые образования могут включать доломит, который имеет равную молекулярную смесь карбонатов кальция и магния (MgCO3·CaCO3).

Доломит довольно инертен в скрубберах. Известняки более низкого качества содержат инертные минералы, такие как силикаты в форме кварца, сланца или глины. Некоторые камни содержат незначительные концентрации карбоната железа и/или марганца (FeCO3 и MnCO3), что может влиять на некоторые аспекты работы скруббера.

Исследование реакционной способности известняка в природных водах дает хорошую основу (простите за каламбур) для понимания того, почему он может хорошо работать в скрубберах. Рассмотрим лабораторный эксперимент по помещению образца известняка в чистую воду с pH 7,0. Известняк мало растворим в воде.

CaCO3 ⇌ Ca2+(водн.) + CO32-(водн.) Ур. 1

Ksp (25o C) = [Ca2+] * [CO32-] = 4,6 * 10-9 (моль/л)2 Ур. 2

Прямые расчеты показывают, что первоначальная растворимость CaCO3 по уравнению 2 составляет всего 6,8 * 10-5 молей на литр (м), что эквивалентно чуть менее 7 мг/л.

Однако карбонат является относительно сильным основанием и реагирует с водой следующим образом:

CO32- + H2O ⇌ HCO3– + OH– Ур. 3

Это влияние сдвигает реакцию, показанную в уравнении 1, несколько вправо, где общую реакцию можно записать как:

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

Растворимость CaCO3 (25°C) повышается до 9,9*10-5 М (~ 10 мг/л) в результате этого эффекта, (1) что представляет собой увеличение растворимости примерно на 1/3, но все еще очень незначительное.

Однако эта химия оставляет два важных вопроса без ответа.

• Если растворимость CaCO3 настолько низка, почему во многих источниках природной воды концентрация щелочности находится в диапазоне от двух до трех цифр мг/л? • Как такой материал может быть эффективен в скруббере дымовых газов?

Ответы напрямую связаны между собой, как мы сейчас и выясним.

В поверхностных водах углекислый газ из атмосферы растворяется следующим образом:

CO2 + H2O ⇌ H2CO3 Ур. 5

Количество, входящее в раствор, можно рассчитать по закону Генри:

KH = [H2CO3 (водн.)]/P = 3,4 * 10-2 моль/л · атм (25oC), где уравнение. 6 P = парциальное давление CO2

Текущая концентрация CO2 в атмосфере составляет около 420 частей на миллион, что соответствует 0,00042 атм. Так, для нейтральной воды концентрация H2CO3 составляет около 1,43*10-5 М, что не очень много.

Исследования показывают, что большая часть сольватированного диоксида углерода остается в виде CO2 и не диссоциирует. Однако небольшое количество диссоциирует в соответствии со следующей реакцией:

H2CO3 ⇌ HCO3– + H+ Ур. 7