Reaction Engineering and Mechanistic Study of CKD-Based Ex-Situ CO₂ Indirect Mineralization. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) sheikha Wahdain 202392470 MS Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 14 May 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

يتطلب تحقيق خفض ملموس في الانبعاثات الصناعية لثاني أكسيد الكربون تطوير مسارات للتمعدن تتسم بالجدوى التقنية، وتجمع في الوقت نفسه بين إحتجاز الكربون وتثمين المخلفات الصناعية. تعرض هذة الأطروحة دراسة منهجية لتمعدن غبار أفران الأسمنت (CKD) من خلال إستخلاص الكالسيوم بمساعدة كلوريد الأمونيوم (NH4Cl)، يتبعة إجراء الكربنة في وسط مائي. و يجمع هذا العمل بين الدراسات التجريبية، و التوصيف التركيبي، و النمذجة الإحصائية، و التعلم الآلي، و التحليل الحركي، بهدف توضيح أثر ظروف الإستخلاص في سلوك الكربنة، و تكوين متعددات أشكال كربونات الكالسيوم، و خصائص المنتج النهائي. في مرحلة الإستخلاص، أسفرت الظروف المثلى المتمثلة في 1.5 مول لكل لتر NH4Cl، و 40 م^°، و 30 دقيقة، و نسبة سائل إلى صلب مقدارها 10 لتر لكل كيلوغرام عن الحصول على تركيز كالسيوم بلغ 21.4 جرام لكل لتر في الراشح. كما أظهر نموذج التعلم الآلي (ML) قدرة تنبوئية أعلى من نموذج مهجية سطح الإستجابة (RSM). أما في مرحلة الكربنة، فقد أدت كربنة الراشح المحضَّر في الظروف المثلى إلى تكون الفاتيرايت (Vaterite) بوصفه الطور السائد في بداية التفاعل، نتيجة فرط الإشباع المرتفع و التكوّن السريع للنوى البلورية. و قد أثرت درجة الحرارة، و معدل تدفق ثاني أكسيد الكربون، و زمن التفاعل، و سرعة التحريك، و الأس الهيدروجيني، و زمن التعتيق وتركيز كلوريد الأمونيوم في كفاءة الكربنة و البنية البلورية، غير أن أياً من هذة العوامل لم يكن كافياً بمفردة لكبح تكوّن الفاتيرايت (Vaterite) تحت الظروف المركزة. و من بين جميع الإستراتيجيات المدروسة، كان تخفيف الراشح النهج الأكثر فاعلية في خفض فرط الإشباع و تعزيز التكوّن المباشر للكالسيت (Calcite). و تحت ظروف التخفيف، تم الحصول على منتجات غنية بالكالسيت (Calcite) ذات هيئة معينية الشكل، و بلغت أعلى سعة للكربنة 240 جرام ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوجرام من غبار أفران الأسمنت (CKD) عند نحو 25 م^°، و 30 دقيقة، و 3 لتر لكل دقيقة ثاني أكسيد الكربون، و 400 دورة لكل دقيقة. أظهرت دراسات إضافية أن المحلول الملحي يمكن أن يمثل مصدراً تكميلياً للكالسيوم بعد ضبط الأس الهيدروجيني، إلا أن قوتة الأيونية المرتفعة عززت تكوين الفاتيرايت (Vaterite). كما أن الجسيمات النانونية للنيكل كان تأثيرها محدوداً في كفاءة الكربنة، مما يشير إلى أن إماهة ثاني أكسيد الكربون لم تكن الخطوة المحددة للمعدل في هذا النظام. كذلك بينت إختبارات إعادة التدويرلكلوريد الأمونيوم أن التعويض ضروري للحفاظ على استقرار الأداء عبر الدورات. و كشف التحليل الحركي أن استخلاص الكالسيوم بدأ بمرحلة محكومة بالتفاعل، و ثم انتقل إلى تحكم مختلط مع ازدياد مقاومة الانتشار و ظهور القيود الثيرموديناميكية. كما أتبعت الكربنة سلوك الرتبة الثانية الزائفة في المرحلة المبكرة فقط، ثم أصبحت تأثيرات انتقال الكتلة و الاتزان أكثر أهمية مع تقدم التفاعل. و أكد تحليل التحلل الحراري الاعتماد الواضح على الطور البلوري، إذ بلغت طاقات التنشيط 192.2 و 206.7 و 217.8 كيلوجول لكل مول لكل من الفاتيرايت (Vaterite)، و مزيج الفاتيرايت (Vaterite)\الكالسيت (Calcite)، و الكالسيت (Calcite) على الترتيب. و بوجة عام، الإسهام الرئيسي لهذه الأطروحة هو الفهم الحركي والميكانيكي لتمعدن غبار الأسمنت، في حين أن التحكم في فرط الإشباع يمثل المبدأ التصميمي المحوري لإنتاج الكالسيت (Calcite) المستقر مع الحفاظ على سعة مرتفعة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون.

English Abstract

Achieving meaningful reductions in industrial CO2 emissions requires mineralization routes that are technically robust and capable of valorizing industrial waste. This thesis presents a systematic investigation of CKD mineralization through ammonium chloride (NH4Cl)-assisted Ca leaching followed by aqueous carbonation. The work combines experiments, structural characterization, statistical modeling, machine learning, and kinetic analysis to clarify leaching behavior, CO2 uptake, CaCO3 polymorph formation, reaction mechanisms, and final product performance. In the leaching stage, optimized conditions of 1.5 M NH4Cl, 40 ℃, 30 min, and a liquid-to-solid ratio of 10 L/kg produced a Ca concentration of 21.4 g/L in the leachate. Machine learning provided more accurate prediction of Ca dissolution than the RSM model, confirming the nonlinear behavior of the leaching system. In the carbonation stage, the optimized leachate produced predominantly vaterite at the beginning of reaction due to high supersaturation and rapid nucleation. Although temperature, CO2 flow rate, reaction time, stirring speed, pH, aging time, and NH4Cl concentration influenced carbonation efficiency and crystal structure, these parameters alone were not sufficient to fully control CaCO3 polymorph formation under concentrated conditions. Leachate dilution was the most effective for reducing supersaturation and promoting direct calcite formation. Under diluted conditions of 0.1 M, calcite-rich products with rhombohedral morphology were obtained, and the highest CO2 uptake reached 240 g CO2 /kg CKD at approximately 25 ℃, 30 min, 3 L/min CO2, and 400 rpm. Additional experiments showed that produced water can serve as a supplementary calcium source after pH adjustment or dilution medium, although its high ionic strength favored vaterite. Nickel nanoparticles had only a limited effect on carbonation efficiency, indicating that CO2 hydration was not the main rate-limiting step in this system. Recycling tests further showed that NH4Cl make-up is required to maintain stable cyclic operation. Kinetic analysis revealed that Ca leaching proceeded through an initial reaction-controlled stage, followed by mixed control as diffusion resistance and thermodynamic constraints developed. Carbonation followed pseudo-second-order behavior only during the early stage, after which mass transfer and equilibrium effects became more significant. Thermal decomposition confirmed strong dependance of CaCO3 stability on polymorph type, with activation energies of 192.2, 206.7, and 217.8 kJ/mol for vaterite, mixed vaterite/calcite, and calcite, respectively. Overall, the main contribution of this thesis is the kinetic and mechanistic understanding of CKD-based mineral carbonation, while that supersaturation control is the central design principle for producing stable calcite while maintaining high CO2 uptake.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Thesis Advisor:	Mohammad Hossain,
Thesis Committee Members:	Shaikh Abdur Razzak, Zuhair Al-yousef,
Depositing User:	SHEIKHA WAHDAIN (g202392470)
Date Deposited:	17 May 2026 06:12
Last Modified:	17 May 2026 06:12
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144302