Sustainable Conversion of Calcium Carbonate into Valuable Calcium Formate

Abstract

The current industrial method of producing calcium formate requires a lot of energy and releases vast amounts of carbon dioxide. However, it has been demonstrated that direct synthesis of calcium formate from calcium carbonate is possible via direct reaction with carbon dioxide by using catalysis. Furthermore, this possibility is of great interest since calcium carbonate is one of the main waste products from the paper industry. In this study this conversion is investigated with four different catalysts. The aim is finding a recyclable catalyst with good conversion rates, optimize reaction conditions and find a proper quantification method. Quantitative NMR spectroscopy with an internal standard was found as a suitable method which was validated and could be used throughout the experiments. The four catalysts were assessed; reaction conditions such as temperature and pressure were optimized. Some conclusions could be drawn regarding sought after properties which could be useful going forward. However, investigation of other ligands and metals should be continued to see if the conversion could be further improved. The conversion of pure calcium carbonate was also compared with that of the untreated one directly from the industry. No difference in conversion was shown which proves that the impurities do not affect the reaction or catalysts. A small decomposition study of calcium formate was also completed to analyse the relation between decay and temperature in the presence of catalyst. The decomposition study showed that the backwards reaction was also catalysed with higher temperatures, which should be considered during future work.

Popular Abstract (Swedish)

Flera av dagens viktiga industriella processer är källor till stora mängder utsläpp och kräver enorma mängder energi. Det är allmänt känt att detta inte är ett hållbart produktionssätt och andra alternativ efterforskas. Det är viktigt att finna bättre lösningar för olika samhällskritiska processer, effektivt utnyttja befintliga resurser, minska utsläpp och energianvändning. Produktionen av kalciumformat är en av dessa processer, denna industri släpper ut 160 000 ton koldioxid per år, använder giftig kolmonoxid och kräver väldigt höga temperaturer. Kalciumformat är en viktig insatsvara som bland annat används som tillsats under E-numret 238 i djurmat, inom textiltillverkning men även brett inom byggbranschen. Det har emellertid påvisats att kalciumformat kan syntetiseras på ett alternativt sätt med kalciumkarbonat och koldioxid, vilket är mer hållbart. Detta alternativa sätt är bara möjligt med hjälp av katalysatorer. Katalysatorer är ett hjälpmedel som ofta används i miljövänliga processer då dem skapar alternativa reaktionsvägar och därmed gör det möjligt att använda mildare reaktionsbetingelser, så som lägre tryck och temperaturer. Idag är pappersmassaindustrin en växande sektor och en av restprodukterna är kalciumkarbonat vilket gör det perfekt att kombinera dessa två produktionsprocesser.
I detta arbete utforskas om restprodukten kalciumkarbonat kan tas till vara och nyttiggöras i produktionen av kalciumformat via en återanvändningsbar katalysator. För att kunna utvärdera testresultaten är det viktigt med en bra kvantifieringsmetod. En sådan metod skapades med hjälp av data från Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spektroskopi vilket resulterade i en kalibreringskurva. Fyra katalysatorer med olika egenskaper har syntetiserats och reaktionsbetingelser har optimerats (så som temperatur och tryck) i syfte att ge hög avkastning. Slutsatser kunde dras kring viktiga egenskaper hos katalysatorerna. Orenad kalciumkarbonat från industrin och ren jämfördes, men ingen skillnad i utbyte kunde påvisas. Detta visar att orenheterna inte har någon inverkan på katalysatorn. Även en så kallad ”nedbrytnings-undersökning” utfördes av kalciumformat då det finns erfarenheter av att bakåtreaktionen kan ske vid högre temperaturer i närvaro av katalysator. Denna undersökning konfirmerade detta, genom att följa nedbrytningen vid olika temperaturer och tider gick det att se hur katalysatorn även påskynda bakåtreaktionen. Vid för hög temperatur kan alltså avkastningen bli lägre, det blir en balansgång med avseende på temperatur och tryck för att få ut så mycket produkt som möjligt.

• author: Persson, Frida
• supervisor: Vasudevan Subramaniyan
• organization: Department of Chemistry
• course: KEML10 20231
• year: 2023
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Chemistry
• keywords: Inorganic chemistry, calcium carbonate, calcium format, eco-friendly, heterogenous catalyst, solid support
• language: English
• id: 9129552
• date added to LUP: 2023-06-26 09:06:38
• date last changed: 2023-06-26 09:06:38