Raman spectroscopic study of the magnesium carbonate mineral– hydromagnesite Mg5[(CO3)4(OH)2]•4H2O

Magnesium minerals are important for the understanding of the concept of geosequestration. One method of studying the hydrated hydroxy magnesium carbonate minerals is through vibrational spectroscopy. A combination of Raman and infrared spectroscopy has been used to study the mineral hydromagnesite. An intense band is observed at 1121 cm-1 attributed CO32- ν1 symmetric stretching mode. A series of infrared bands at 1387, 1413, 1474 cm-1 are assigned to the CO32- ν3 antisymmetric stretching modes. The CO32- ν3 antisymmetric stretching vibrations are extremely weak in the Raman spectrum and are observed at 1404, 1451, 1490 and 1520 cm-1. A series of Raman bands at 708, 716, 728, 758 cm-1 are assigned to the CO32- ν2 in-plane bending mode. The Raman spectrum in the OH stretching region is characterised by bands at 3416, 3516 and 3447 cm-1. In the infrared spectrum a broad band is found at 2940 cm-1 assigned to water stretching vibrations. Infrared bands at 3430, 3446, 3511, 2648 and 3685 cm-1 are attributed to MgOH stretching modes.

Thermal decomposition of Bayer precipitates formed at varying temperatures

Bayer hydrotalcites prepared using the seawater neutralisation (SWN) process of Bayer liquors are characterised using X-ray diffraction and thermal analysis techniques. The Bayer hydrotalcites are synthesised at four different temperatures (0, 25, 55, 75 °C) to determine the effect on the thermal stability of the hydrotalcite structure, and to identify other precipitates that form at these temperatures. The interlayer distance increased with increasing synthesis temperature, up to 55 °C, and then decreased by 0.14 Å for Bayer hydrotalcites prepared at 75 °C. The three mineralogical phases identified in this investigation are; 1) Bayer hydrotalcite, 2), calcium carbonate species, and 3) hydromagnesite. The DTG curve can be separated into four decomposition steps; 1) the removal of adsorbed water and free interlayer water in hydrotalcite (30 – 230 °C), 2) the dehydroxylation of hydrotalcite and the decarbonation of hydrotalcite (250 – 400 °C), 3) the decarbonation of hydromagnesite (400 – 550 °C), and 4) the decarbonation of aragonite (550 – 650 °C).

The effect of synthesis temperature on the formation of hydrotalcites in Bayer liquor : a vibrational spectroscopic analysis

The seawater neutralisation process is currently used in the Alumina industry to reduce the pH and dissolved metal concentrations in bauxite refinery residues, through the precipitation of Mg, Al, and Ca hydroxide and carbonate minerals. This neutralisation method is very similar to the co-precipitation method used to synthesise hydrotalcite (Mg6Al2(OH)16CO3•4H2O). This study looks at the effect of temperature on the type of precipitates that form from the seawater neutralisation process of Bayer liquor. The Bayer precipitates have been characterised by a variety of techniques, including X-ray diffraction, Raman spectroscopy and infrared spectroscopy. The mineralogical composition of Bayer precipitates largely includes hydrotalcite, hydromagnesite, and calcium carbonate species. XRD determined that Bayer hydrotalcites that are synthesised at 55 °C have a larger interlayer distance, indicating more anions are removed from Bayer liquor. Vibrational spectroscopic techniques have identified an increase in hydrogen bond strength for precipitates formed at 55 °C, suggesting the formation of a more stable Bayer hydrotalcite. Raman spectroscopy identified the intercalation of sulfate and carbonate anions into Bayer hydrotalcites using these synthesis conditions.

A Raman spectroscopic study of the basic carbonate mineral callaghanite Cu2Mg2(CO3)(OH)6⋅2H2O

Raman spectrum of callaghanite, Cu2Mg2(CO3)(OH)6⋅2H2O, was studied and compared with published Raman spectra of azurite, malachite and hydromagnesite. Stretching and bending vibrations of carbonate and hydroxyl units and water molecules were tentatively assigned. Approximate O–H…O hydrogen bond lengths were inferred from the spectra. Because of the high content of hydroxyl ions in the crystal structure in comparison with low content of carbonate units, callaghanite should be better classified as a carbonatohydroxide than a hydroxycarbonate.

Near infrared spectroscopy of selected natural magnesium carbonates: implications for geosequestration

The approach to remove greenhouse gases by pumping liquid CO2 several kilometres below the ground implies that many carbonate containing minerals will be formed. Among these minerals, the formation of hydromagnesite, dypingite and nesquehonite are possible, thus necessitating a study of such minerals. These minerals with a hydrotalcite-related formulae have been characterised by a combination of infrared and near infrared spectroscopy. Layered double hydroxides (also known as anionic clays or hydrotalcites) are a group of layered clay minerals described by the general formula: [M1–x2+Mx3+(OH)2]x+[An–]x/n∙mH2O. The infrared spectra of the minerals are characterised by OH and water stretching vibrations. Both the first and second fundamental overtones of these bands are observed in the NIR spectra in the 7030–7235 cm–1 and 10,490–10,570 cm–1 spectral ranges. Intense (CO3)2– symmetrical and anti-symmetrical stretching vibrations confirm the distortion of the carbonate anion. The position of the water bending vibration indicates water is strongly hydrogen-bonded to the carbonate anion in the mineral structure. NIR spectroscopy offers a method for quickly analysing such materials.

Carbonating magnesia for soil stabilization

This paper investigates the potential for carbonating reactive magnesia (MgO) to serve as a more sustainable soil stabilization method by providing rapid and significant strength development of the stabilized soil through absorbing substantial quantities of CO2. Gaseous CO2 was forced through laboratory-prepared reactive MgO-treated soil samples in a triaxial cell set-up, and their resulting mechanical and microstructural properties were investigated using unconfined compressive strength, X-ray diffraction, and scanning electron microscopy. The results showed that adequately carbonated MgO-treated soils could, in a few hours, reach a similar strength range to corresponding 28 day Portland cement (PC)-stabilized soils. Hydrated magnesium carbonates, namely nesquehonite and hydromagnesite-dypingite, were the main products of the carbonated MgO in the soil, and were responsible for the significant strength development.

Óxidos derivados de hidromagnesitas e hidrotalcitas modificadas como catalisadores heterogêneos na síntese de biodiesel etílico

Pós-graduação em Química - IBILCE

Séquestration géologique du CO2 par carbonatation minérale dans les résidus miniers

La carbonatation minérale dans les résidus miniers est un moyen sûr et permanent de séquestrer le CO2 atmosphérique. C’est un processus naturel et passif qui ne nécessite aucun traitement particulier et donc avantageux d’un point de vue économique. Bien que la quantité de CO2 qu’il soit possible de séquestrer selon ce processus est faible à l’échelle globale, dans le cadre d’un marché du carbone, les entreprises minières pourraient obtenir des crédits et ainsi revaloriser leurs résidus. À l’heure actuelle, il y a peu d’informations pour quantifier le potentiel de séquestration du CO2 de façon naturelle et passive dans les piles de résidus miniers. Il est donc nécessaire d’étudier le phénomène pour comprendre comment évolue la réaction à travers le temps et estimer la quantité de CO2 qui peut être séquestrée naturellement dans les piles de résidus. Plusieurs travaux de recherche se sont intéressés aux résidus miniers de Thetford Mines (Québec, Canada), avec une approche principalement expérimentale en laboratoire. Ces travaux ont permis d’améliorer la compréhension du processus de carbonatation, mais ils nécessitent une validation à plus grande échelle sous des conditions atmosphériques réelles. L’objectif général de cette étude est de quantifier le processus de carbonatation minérale des résidus miniers sous des conditions naturelles, afin d’estimer la quantité de CO2 pouvant être piégée par ce processus. La méthodologie utilisée repose sur la construction de deux parcelles expérimentales de résidus miniers situées dans l’enceinte de la mine Black Lake (Thetford Mines). Les résidus miniers sont principalement constitués de grains et de fibres de chrysotile et lizardite mal triés, avec de petites quantités d’antigorite, de brucite et de magnétite. Des observations spatiales et temporelles ont été effectuées dans les parcelles concernant la composition et la pression des gaz, la température des résidus, la teneur en eau volumique, la composition minérale des résidus ainsi que la chimie de l’eau des précipitations et des lixiviats provenant des parcelles. Ces travaux ont permis d’observer un appauvrissement notable du CO2 dans les gaz des parcelles (< 50 ppm) ainsi que la précipitation d’hydromagnésite dans les résidus, ce qui suggère que la carbonatation minérale naturelle et passive est un processus potentiellement important dans les résidus miniers. Après 4 ans d’observations, le taux de séquestration du CO2 dans les parcelles expérimentales a été estimé entre 3,5 et 4 kg/m3/an. Ces observations ont permis de développer un modèle conceptuel de la carbonatation minérale naturelle et passive dans les parcelles expérimentales. Dans ce modèle conceptuel, le CO2 atmosphérique (~ 400 ppm) se dissout dans l’eau hygroscopique contenue dans les parcelles, où l’altération des silicates de magnésium forme des carbonates de magnésium. La saturation en eau dans les cellules est relativement stable dans le temps et varie entre 0,4 et 0,65, ce qui est plus élevé que les valeurs de saturation optimales proposées dans la littérature, réduisant ainsi le transport de CO2 dans la zone non saturée. Les concentrations de CO2 en phase gazeuse, ainsi que des mesures de la vitesse d’écoulement du gaz dans les cellules suggèrent que la réaction est plus active près de la surface et que la diffusion du CO2 est le mécanisme de transport dominant dans les résidus. Un modèle numérique a été utilisé pour simuler ces processus couplés et valider le modèle conceptuel avec les observations de terrain. Le modèle de transport réactif multiphase et multicomposant MIN3P a été utilisé pour réaliser des simulations en 1D qui comprennent l’infiltration d’eau à travers le milieu partiellement saturé, la diffusion du gaz, et le transport de masse réactif par advection et dispersion. Même si les écoulements et le contenu du lixivat simulés sont assez proches des observations de terrain, le taux de séquestration simulé est 22 fois plus faible que celui mesuré. Dans les simulations, les carbonates précipitent principalement dans la partie supérieure de la parcelle, près de la surface, alors qu’ils ont été observés dans toute la parcelle. Cette différence importante pourrait être expliquée par un apport insuffisant de CO2 dans la parcelle, qui serait le facteur limitant la carbonatation. En effet, l’advection des gaz n’a pas été considérée dans les simulations et seule la diffusion moléculaire a été simulée. En effet, la mobilité des gaz engendrée par les fluctuations de pression barométrique et l’infiltration de l’eau, ainsi que l’effet du vent doivent jouer un rôle conséquent pour alimenter les parcelles en CO2.