Effect of pH, CO2 and organic ligands on the kinetics of talc and lizardite dissolution

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Natural sheet magnesium silicates are potential sources of divalent cations, which are necessary for the mineralization of CO2 in the carbonates. In order to study the influence of inorganic (HCO3−) and organic (oxalate and citrate) ligands on the kinetics of dissolution of talc and serpentine, experiments were performed in a flow-through reactor at 25°C. Dissolution rates of natural silicates r (mol cm−2 s−1) in solutions of various compositions were calculated at the stationary stage of dissolution after a rapid initial stage, which is characterized by the formation of a surface leached layer depleted in magnesium. The presence of ligands increases the dissolution rate of magnesium silicates due to the formation of surface complexes, which leads to separation of magnesium from the surface and transition into solution. Initial incongruent stage may be the most promising for the development of carbonation technologies, since the minimum removal of the network-forming elements prevents the undesirable formation of secondary minerals (for example, clays), which exclude divalent cations from the carbonation process and greatly reduce the permeability of rocks.

About the authors

O. N. Karaseva

Institute of Experimental Mineralogy, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: olga@iem.ac.ru
Russian Federation, Acad. Osypyana st., 4, Chernogolovka, 142432

L. Z. Lakshtanov

Institute of Experimental Mineralogy, Russian Academy of Sciences

Email: olga@iem.ac.ru
Russian Federation, Acad. Osypyana st., 4, Chernogolovka, 142432

D. A. Khanin

Institute of Experimental Mineralogy, Russian Academy of Sciences

Email: olga@iem.ac.ru
Russian Federation, Acad. Osypyana st., 4, Chernogolovka, 142432

A. S. Proskuryakova

Institute of Experimental Mineralogy, Russian Academy of Sciences

Email: olga@iem.ac.ru
Russian Federation, Acad. Osypyana st., 4, Chernogolovka, 142432

References

  1. Лебедев В. И. (1972) Некоторые кристаллохимические закономерности образования глинистых минералов в свете системы ионно-атомных радиусов. Вестник ЛГУ. 6, 28–36.
  2. Aagaard P., Helgeson H. (1982) Thermodynamic and kinetic constraints on reaction rates among minerals and aqueous solutions; I, Theoretical considerations. Am. J. Plant Sci. 282(3), 237–285.
  3. Amram K., Ganor J. (2005) The Combined Effect of pH and Temperature on Smectite Dissolution Rate Under Acidic Conditions. Geochim. Cosmochim. Acta. 69(10), 2535–2546.
  4. Bales R., Morgan J. (1985) Dissolution kinetics of chrysotile at pH 7 to 10. Geochim. Cosmochim. Acta. 49(11), 2281–2288.
  5. Bonfils B., Julcour-Lebigue C., Guyot F., Bodénan F., Chiquet P., Bourgeois F. (2012) Comprehensive analysis of direct aqueous mineral carbonation using dissolution enhancing organic additives. Int. J. Greenh. Gas Control. 9, 334–346.
  6. Chin P.-K. F., Mills G. (1991) Kinetics and mechanisms of kaolinite dissolution: effects of organic ligands. Chem. Geol. 90(3–4), 307–317.
  7. Daval D., Hellmann R., Martinez I., Gangloff S., Guyot F. (2013) Lizardite serpentine dissolution kinetics as a function of pH and temperature, including effects of elevated pCO2. Chem. Geo. 351, 245–256.
  8. Eloneva S., Puheloinen E., Kanerva J., Ekroos A., Zevenhoven R., Fogelholm C. (2010) Co-utilisation of CO2 and steelmaking slags for production of pure CaCO3 – legislative issues. J. Clean. Prod. 18(18), 1833–1839.
  9. Gerdemann S., Oconnor W., Dahlin D., Penner L., Rush H. (2007) Ex situ aqueous mineral carbonation. Environ. Sci. Technol. 41(7), 2587–2593.
  10. Gislason S. R., Broecker W. S., Gunnlaugsson E., Snæbjörnsdóttir S., Mesfin K. G., Alfredsson H.A, Aradottir E. S., Sigfusson B., Gunnarsson I., Stute M., Matter J. M., Arnarson M. Th., Galeczka I. M., Gudbrandsson S., Stockman G., Wolff-Boenisch D., Stefansson A., Ragnheidardottir E., Flaathen, Gysia, Olssen J., K. Didriksen, S. Stipp, B. Menez and E. H. Oelkersg T. A.P. (2014) Rapid solubility and mineral storage of CO2 in basalt. Energy Proc. 63, 4561–4574.
  11. Golubev S., Pokrovsky O. (2006) Experimental study of the effect of organic ligands on diopside dissolution kinetics. Chem. Geol. 235(3–4), 377–389.
  12. Harrison A. L., Power I. M., Dipple G. M. (2013) Accelerated carbonation of brucite in mine tailings for carbon sequestration. Environ. Sci. Technol. 47(1), 126–134.
  13. Hänchen M., Prigiobbe V., Storti G., Seward T. M., Mazzotti M. (2006) Dissolution kinetics of forsteritic olivine at 90–150°C including effects of the presence of CO2. Geochim. Cosmochim. Acta. 70(17), 4403–4416.
  14. Huijgen W., Comans R., Witkamp G. (2007) Cost evaluation of CO2 sequestration by aqueous mineral carbonation. Energy Convers. Manag. 48(47), 1923–1935.
  15. Kandji E. H.B., Plante B., Bussière B., Beaudoin G., Dupont P. (2017) Kinetic testing to evaluate the mineral carbonation and metal leaching potential of ultramafic tailings: Case study of the Dumont Nickel Project, Amos, Québec. Appl. Geochem. 84, 262–276.
  16. Krevor S., Lackner K. S. (2011) Enhancing serpentine dissolution kinetics for mineral carbon dioxide sequestration. Int. J. Greenh. Gas Control. 5(4), 1073–1080.
  17. Lasaga A. C. (1990) Atomic treatment of mineral-water surface reactions. In Mineral-Water Interface Geochemistry (Eds. Michael F. Hochella M. F., White A. F.). Reviews in Mineralogy vol. 23. Mineralogical Society of America, Washington DC, 17–85.
  18. Lechat K., Lemieux M., Molson J., Beaudoin G., Hebert R. (2016) Field evidence of CO2 sequestration by mineral carbonation in ultramafic milling wastes, Thetford Mines, Canada. Int. J. Greenh. Gas Control. 47, 110–121.
  19. Lu X., Carroll K. J., Turvey C. C., Dipple G. M. (2022) Rate and capacity of cation release from ultramafic mine tailings for carbon capture and storage. J. Appl. Geochem. 140, 105285.
  20. Metz V., Ganor J. (2001) Stirring effect on kaolinite dissolution rate. Geochim. Cosmochim. Acta. 65(20), 3475–3490.
  21. Newlands K. C., Foss M., Matchei T., Skibsted J., Macphee D. E. (2017) Early stage dissolution characteristics of aluminosilicate glasses with blast furnace slag- and fly-ash-like compositions. J. Am. Ceram. Soc. 100(5), 1941–1955.
  22. Olsen A. A., Rimstidt D. (2008) Oxalate-promoted forsterite dissolution at low pH. Geochim. Cosmochim. Acta. 72(7), 17–58–1766.
  23. Park A., Fan L. (2004) CO2 mineral sequestration: physically activated dissolution of serpentine and pH swing process. Chem. Eng. Sci. 59, 5241–5247.
  24. Prigiobbe V., Hänchen M., Werner M., Baciocchi R., Mazzotti M. (2009) Mineral carbonation process for CO2 sequestration. Energy Procedia. 1(1), 4885–4890.
  25. Prigiobbe V., Mazzotti M. (2011) Dissolution of olivine in the presence of oxalate, citrate, and CO2 at 90°C and 120°C. Chem. Eng. Sci. 66(24), 6544–6554.
  26. Pokrovsky O., Schott J. (2000) Kinetics and mechanism of forsterite dissolution at 25°C and pH from 1 to 12. Geochim. Cosmochim. Acta. 64(19), 3313–3325.
  27. Saldi G., Köhler S., Marty N., Oelkers E. (2007) Dissolution rates of talc as a function of solution composition, pH and temperature. Geochim. Cosmochim. Acta. 71(14), 3446–3457.
  28. Schott J., Berner R. A. (1985) Dissolution mechanisms of pyroxenes and olivines during weathering. In The Chemistry of Weathering (Eds. Drever J. I.). NATO ASI Ser., Ser. C: Math. Phys. Sci. 149, 35–53.
  29. Stumm, W. (1992) Chemistry of the Solid-Water Interface. N.Y., Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore: John Wiley & Sons, 428.
  30. Stumm W. (1997) Reactivity at the mineral-water interface: dissolution and inhibition. Colloids Surf., A 120(1–3), 143–166.
  31. Sun C., Yao Z., Wang Q., Guo L., Shen X. (2023) Theoretical study on the organic acid promoted dissolution mechanism of forsterite mineral. Appl. Surf. Sci. 614, 156063.
  32. Teir S., Kuusik R., Fogelholm C. (2007) Production of magnesium carbonates from serpentinite for long-term storage of CO2. Int. J. Miner. Process. 85(1–3), 1–15.
  33. Tsomaia N., Brantley S., Hamilton J., Pantano C., Mueller K. (2003) NMR evidence for formation of octahedral and tetrahedral Al and repolymerization of the Si network during dissolution of aluminosilicate glass and crystal. Am. Min. 88, 54–67.
  34. Wang H., Feng Q., Liu K. (2016) The dissolution behavior and mechanism of kaolinite in alkali-acid leaching process. Appl. Clay Sci. 132–133, 273–280.
  35. Wang F., Dreisinger D., Jarvis M., Hitchins T. (2019) Kinetics and mechanism of mineral carbonation of olivine for CO2 sequestration. Miner. Eng. 131, 185–197.
  36. Weissbart E., Rimstidt J. (2000) Wollastonite: Incongruent dissolution and leached layer formation. Geochim. Cosmochim. Acta. 64(23), 4007–4016.
  37. Wogelius R., Walther J. (1991) Olivine dissolution at 25°C: Effects of pH, CO2, and organic acids. Geochim. Cosmochim. Acta 55(4), 943–954.
  38. Wogelius R., Walther J. (1992) Olivine dissolution kinetics at near-surface conditions. Chem. Geol. 97, 101–112.
  39. Zevenhoven R., Teir S., Eloneva S. (2008) Heat optimization of a staged gas-solid mineral carbonation process for long-term CO2 storage. Energy. 33(2), 362–370.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».