Reduction of CO2 emissions by mineral carbonation : steelmaking slags as raw material with a pure calcium carbonate end product

Mineral carbonation is one of the options that can contribute to the reduction of carbon dioxide emissions for climate change mitigation purposes. Steel manufacturing, which is one of the biggest industrial sources of CO2 emissions, could benefit from this option by utilizing its own by-products, i.e., steelmaking slags, to combine with CO2. Additional benefits would be achieved if the end product was a pure and marketable calcium carbonate. The utilization of CaCO3 derived from steelmaking slag to replace some of the synthetic CaCO3 used in industry would simultaneously save virgin material resources, reduce carbon dioxide emissions, and provide a new utilization option for the low-value slag. The objective of the research reported in this thesis was to investigate the possibility of reducing CO2 emissions by utilizing steelmaking slags as raw material for CO2 mineralization. The target was that the end product of the CO2 mineralization would be a pure CaCO3 suitable for utilization. The suitability of the acetic acid process route suggested by Kakizawa et al. (2001) was tested first. Experiments showed that acetic acid dissolves calcium efficiently from steelmaking slags. A weak acetic acid solution was able to dissolve lime selectively from the steel converter slag, forming a clearly alkaline solution. Nonetheless, efficient CaCO3 precipitation required the addition of NaOH to prevent the regeneration of acid during carbonation, as well as to increase the alkalinity of the solution in those cases where a stronger acetic acid solution was used for the dissolution step. Preliminary process calculations revealed that chemical costs make the process clearly too expensive for CO2 sequestration. Because the production of pure CaCO3 from steelmaking slags with acetic acid was not feasible, various other solvents were tested. Three ammonium salt solutions (CH3COONH4, NH4NO3, and NH4Cl) dissolved calcium selectively from the steel converter slag and almost as efficiently as acids. The precipitated calcium carbonates were very pure. It was calculated that the production of pure calcium carbonate from steel converter slag by using ammonium salts as a solvent has clearly negative CO2 emissions. Since it was found that the method is not suitable for just any waste/by product materials that contain calcium, but should be applicable for at least those that contain free CaO, this method has potential only for minor-scale, yet significant, CO2 storage. A clear advantage is, however, that it uses a low value by-product as its raw material and has economic potential

Environmental Remediation and Conversion of Carbon Dioxide (CO2) into Useful Green Products by Accelerated Carbonation Technology

This paper reviews the application of carbonation technology to the environmental industry as a way of reducing carbon dioxide (CO2), a green house gas, including the presentation of related projects of our research group. An alternative technology to very slow natural carbonation is the co-called ‘accelerated carbonation’, which completes its fast reaction within few hours by using pure CO2. Carbonation technology is widely applied to solidify or stabilize solid combustion residues from municipal solid wastes, paper mill wastes, etc. and contaminated soils, and to manufacture precipitated calcium carbonate (PCC). Carbonated products can be utilized as aggregates in the concrete industry and as alkaline fillers in the paper (or recycled paper) making industry. The quantity of captured CO2 in carbonated products can be evaluated by measuring mass loss of heated samples by thermo-gravimetric (TG) analysis. The industrial carbonation technology could contribute to both reduction of CO2 emissions and environmental remediation

Alkaline residues and the environment: A review of impacts, management practices and opportunities

Around two billion tonnes of alkaline residues are produced globally each year by industries such as steel production, alumina refining and coal-fired power generation, with a total production estimate of 90 billion tonnes since industrialization. These wastes are frequently stored in waste piles or landfills, and can be an environmental hazard if allowed to generate dust, or if rainwater infiltrates the waste. This review will focus on the environmental impacts associated with alkaline residues, with emphasis on the leachates produced by rainwater ingress. Many alkaline industrial wastes can produce leachates that are enriched with trace metals that form oxyanions (e.g. As, Cr, Mo, Se, V), which can be very mobile in alkaline water. The management options for the residues and their leachates are also discussed, distinguishing active and passive treatment options. Potential reuses of these materials, in construction materials, as agricultural amendments, and in environmental applications are identified. The mechanisms of carbon sequestration by alkaline residues are assessed, and the potential for enhancing its rate as a climate change off-setting measure for the industry is evaluated. The potential for recovery of metals critical to e-technologies, such as vanadium, cobalt, lithium and rare earths, from alkaline residues is considered. Finally research needs are identified, including the need to better understand the biogeochemistry of highly alkaline systems in order to develop predictable passive remediation and metal recovery technologies

Hydration of dicalcium silicate and diffusion through neo-formed calcium-silicate-hydrates at weathered surfaces control the long-term leaching behaviour of basic oxygen furnace (BOF) steelmaking slag

Alkalinity generation and toxic trace metal (such as vanadium) leaching from basic oxygen furnace (BOF) steel slag particles must be properly understood and managed by pre-conditioning if beneficial reuse of slag is to be maximised. Water leaching under aerated conditions was investigated using fresh BOF slag at three different particle sizes (0.5–1.0, 2–5 and 10 × 10 × 20 mm blocks) and a 6-month pre-weathered block. There were several distinct leaching stages observed over time associated with different phases controlling the solution chemistry: (1) free-lime (CaO) dissolution (days 0–2); (2) dicalcium silicate (Ca₂SiO₄) dissolution (days 2–14) and (3) Ca–Si–H and CaCO₃ formation and subsequent dissolution (days 14–73). Experiments with the smallest size fraction resulted in the highest Ca, Si and V concentrations, highlighting the role of surface area in controlling initial leaching. After ~2 weeks, the solution Ca/Si ratio (0.7–0.9) evolved to equal those found within a Ca–Si–H phase that replaced dicalcium silicate and free-lime phases in a 30- to 150-μm altered surface region. V release was a two-stage process; initially, V was released by dicalcium silicate dissolution, but V also isomorphically substituted for Si into the neo-formed Ca–Si–H in the alteration zone. Therefore, on longer timescales, the release of V to solution was primarily controlled by considerably slower Ca–Si–H dissolution rates, which decreased the rate of V release by an order of magnitude. Overall, the results indicate that the BOF slag leaching mechanism evolves from a situation initially dominated by rapid hydration and dissolution of primary dicalcium silicate/free-lime phases, to a slow diffusion limited process controlled by the solubility of secondary Ca–Si–H and CaCO₃ phases that replace and cover more reactive primary slag phases at particle surfaces

Method to identify opportunities for CCU at regional level — Matching sources and receivers

Carbon Capture and Utilization is an attractive strategy not only due to its potential for CO2 emissions reduction but also because it enables the creation of valuable products. The development of CO2-based industrial symbiosis partnerships can contribute significantly towards achieving the goals of GHG emissions reduction on a European level by 2030, while at the same time it leads to an increased added value through the development of new production lines and carbon neutral products. The presented article focuses on identifying potential partnerships between companies that produce CO2 and companies that may reuse CO2 as input for their industrial process. A novel methodological framework is presented based on developing generic matrices for CO2 sources and receivers and matching the industrial units based on geographical and technical criteria. Moreover, the paper provides the technical requirements of 17 CO2 utilization technologies with relatively high technology readiness level, including the CO2-to-product ratio, the required purity, pressure, temperature and the presence of a catalyst, as well as potential synergies and additional requirements. The methodology has been applied to the Västra Götaland region in West Sweden and the most promising CCU symbiosis have been identified. These include mineral carbonation (annual uptake: 59,600 tCO2), greenhouses (26,000 tCO2), algae production, methanol production (85,500 tCO2), power to gas (66,500 tCO2), pH control, lignin production, polymers synthesis and concrete curing (96,000 tCO2). If all of them could be applied, the total annual CO2 reduction would exceed 250,000 tCO2 per year

Renovation realities : Actors, institutional work and the struggle to transform Finnish energy policy

Transitions research argues that destabilizing current carbon-intensive regimes is necessary for transforming energy systems. In this study, we analyze how both new and established energy policy actors seek to influence energy transitions in a relatively stable institutional context. Our empirical focus is on Finland, where the governance of energy policy has been characterized as closed and stagnant and is increasingly challenged by novel actors. The analysis is based on expert interviews (n=24), completed with existing literature and other documentary material. We examine the different forms of institutional work actors undertake. Our analysis shows how the existing institutional setting conditions actors’ choices over the endeavors that are worth pursuing. We show how the institutional work approach adds nuance to studying actors’ activities in regime destabilization processes. We find that actors focus on creative institutional work and avoid disruptive activities. While our results confirm a strong commitment to carbon neutrality, the focus on creative institutional work and a lack of disruption point to incremental changes in energy policy and networks.Peer reviewe

Perheväkivallalle altistuneiden lasten oikeuksien huomioiduksi tuleminen suomalaisessa lastensuojelujärjestelmässä : esteet ja mahdollisuudet lasten suojelussa, tukemisessa ja huomioimisessa

Perheväkivalta on osa monen lapsen elämää ja sen vaikutukset ovat negatiivisia myös silloin, kun lapsi altistuu väkivallalle välillisesti. Välillisellä väkivallalla tarkoitetaan tässä sellaista väkivaltaa, joka ei suoraan kohdistu lapseen, mutta josta lapsi niin ikään on tietoinen. Lapsi voi olla tilanteessa läsnä tai vain nähdä sen seuraukset. Väkivaltatyön ammattilaiset odottavat lastensuojelun olevan se taho, joka keskittyy perheväkivaltaa kokeneiden lasten auttamiseen. Suomen kontekstia kuvaavien tutkimusten valossa vaikuttaa kuitenkin siltä, että lastensuojelun työskentelyssä sekä itse väkivalta että myös lapsi tulevat helposti sivuutetuksi. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan sitä, millaisia suojelluksi, tuetuksi ja huomioiduksi tulemisen mahdollisuuksia perheväkivallalle välillisesti altistuneille lapsille avautuu lastensuojelussa lastensuojelun työntekijöiden näkökulmasta, ja toisaalta sitä, millaisia haasteita he tässä näkevät. Aihetta lähestytään lapsen oikeuksien näkökulmasta. Tutkimuksessa on haettu vastausta eritoten siihen, mahdollistaako suomalainen lapsi- ja perhekohtainen lastensuojelu lapsen suojelun välilliselle perheväkivallalle altistumiselta, kykeneekö se tukemaan perheväkivallalle altistunutta lasta ja tuleeko lapsi itse huomioiduksi tässä prosessissa. Tutkimustulokset pohjautuvat aineistoon, joka on kerätty haastattelemalla viittä perheväkivallalle välillisesti altistuneiden lasten parissa työskennellyttä sosiaalityöntekijää yhden Uudenmaan kunnan alueelta vuoden 2020 alkupuolella. Haastattelut toteutettiin teemahaastatteluina, jotka nauhoitettiin. Nauhoitettu aineisto litteroitiin ja litteraatit analysoitiin laadullisen sisällönanalyysin keinoin. Haastatteluaineistosta hahmottui kolme kategoriaa, jotka ilmentävät lastensuojelun mahdollisuuksia suojella, tukea ja huomioida perheväkivallalle välillisesti altistunutta lasta, sekä neljä kategoriaa, jotka kuvaavat näihin liittyviä haasteita. Tutkimustulosten mukaan lastensuojelun sosiaalityöntekijöiden on mahdollista suojella lasta välilliselle perheväkivallalle altistumiselta monin eri tavoin, kuten ohjaamalla väkivaltaa kohdannut vanhempi lapsen kanssa turvakotiin tai pyrkimällä vaikuttamaan vanhempien omaan toimintaan tilanteissa, joissa akuutti uhka on väistynyt. Lapsen tukeminen mahdollistuu tarjoamalla lapselle tai hänen perheelleen erilaisia lastensuojelun palveluita, ohjaamalla lapsi tai hänen perheensä lastensuojelun päätäntävallan ulkopuolella oleviin palveluihin, kuten esimerkiksi lastenpsykiatriseen, sekä sosiaalityöntekijän omalla työllä. Lapsen huomioiminen tuli useimmissa haastatteluissa korostetuksi kyseenalaistamattomana asiana, joskin monet lapsen suojelua mahdollistavat toimet kohdistuivat lapsen sijaan tämän vanhempiin. Lapsen suojelua, tukemista ja huomioimista haastavat lastensuojelutyön luonteeseen liittyvät tekijät, kuten tilanteiden arvioimisen vaikeus, sekä työn puitteisiin liittyvät tekijät, kuten liian suureksi koetut työntekijäkohtaiset asiakasmäärät, jotka vaikeuttavat hyvän ja vuorovaikutuksellisen asiakassuhteen muodostumista lapsen ja sosiaalityöntekijän välille. Väkivaltailmiöön liittyvät tekijät, kuten väkivallan kieltäminen tai peittely, haastavat sosiaalityöntekijän puuttumista tilanteeseen. Lisäksi lasten suojelua perheväkivallalle altistumiselta haastavat muun muassa puutteet työntekijöiden väkivaltaerityisessä osaamisessa ja yhteistyön tekemiseen liittyvät haasteet. Tutkimuksen perusteella lapsi- ja perhekohtainen lastensuojelu mahdollistaa lapsen suojelun välilliselle perheväkivallalle altistumiselta, tukee altistunutta lasta ja huomioi lapsen tässä prosessissa. Mahdollisessa jatkotutkimuksessa eri prosessin vaiheissa tapahtuvien lapsen osallisuuden tapojen sekä ennen kaikkea perheväkivallalle välillisesti altistuneiden lasten omien näkökulmien huomioiminen olisikin suotavaa

Mineraalikarbonoinnin prosessimallinnus ja karbonointituotteen stabiilisuus

Työn tavoitteena oli selvittää mineraalikarbonoinnin soveltuvuutta hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen ja siten hillitä ilmastonmuutosta. Työ keskittyi ennen kaikkea kaksivaiheisen mineraalikarbonoinnin toteutettavuuteen energian käytön kannalta, mineraalikarbonaattien hyötykäyttömahdollisuuksiin ja kyseisen hiilidioksidin varastointimenetelmän turvallisuuteen Suomessa. Kirjallisessa osiossa arvioitiin lyhyesti ihmisten aikaansaamien hiilidioksidipäästöjen vaikutusta kiihtyneeseen kasvihuoneilmiöön sekä hiilidioksipäästöjen vähentämismahdollisuuksia. Eri karbonointiprosessivaihtoehtoja, sopivia karbonointimineraaleja ja hyötykäyttömahdollisuuksia etenkin Suomessa, tarkasteltiin yksityiskohtaisesti. Aikaisemmat tutkimukset osoittavat, että hiilidioksidipäästöjä tulisi vähentää merkittävästi samalla kun energian tarve maailmassa kasvaa. Hiilidioksidin takavarikointi mineraalikarbonoinnilla vaikuttaa yhdeltä parhaimmista mahdollisuuksista tämän toteuttamiseksi. Sopivia silikaattimineraaleja on olemassa riittävissä määrin. Teollisuusjätteen, kuten rauta- ja teräskuonan käyttö voi olla myös mahdollista. Muutamat karbonointimetodit vaikuttivat lupaavilta. Varastoinnin ohella karbonaatteja voitaisiin käyttää sitomaan tuhkaa ja muuta hienojakoista maata, sekä korvaamaan kalsiitista valmistetun saostetun kalsiumkarbonaatin. Kokeellisessa osiossa hiilidioksidin varastoinnin turvallisuutta mineraalikarbonaattina tutkittiin testaamalla magnesium- ja kalsiumkarbonaatin stabiilisuutta erivahvuisissa typpihappoliuoksissa. Stabiilisuus, mahdollisena hiilidioksidin liukenemisena, laskettiin liuenneen magnesiumin tai kalsiumin määrästä happamassa liuoksessa. Kokeiden mukaan mitä alhaisempi oli liuoksen pH-arvo, sitä suurempi oli liuenneen mineraalin määrä. Kun pH oli suurempi kuin 2, mahdollinen hiilidioksidipurkaus oli vähemmän kuin 1%, kun taas Suomen sadevesien tyypillinen pH on noin 4. Siten hiilidioksidin takavarikointi mineraalikarbonaattina Suomessa vaikuttaa turvalliselta. Mallintamisosiossa kaksivaiheinen mineraalikarbonointi serpentiinillä mallinnettiin, tavoitteena tutkia prosessin toteutettavuutta energiankäytön kannalta. Mallin reaktoreiden ja lämmönvaihtimien lämpöjen exergioiden summa laskettiin, jotta löydettäisiin optimaaliset lämpötilat irrotus- ja karbonointiprosessille niin, että vältettäisiin ulkopuolisen energian käyttö. Optimaalinen lämpötila-alue Mg(OH)2-perusteiselle kaksivaiheiselle serpentiinin karbonoinnille oli suurin korkeimmalla mallinnetulla paineella 70 bar, ja noin 60% karbonointiasteella