Laboratory study of Ca(OH)2 dissolution dynamics in artificial seawater

This thesis concerns the dissolution kinetics of calcium hydroxide - Ca(OH)2, also known as slaked lime, SL - in artificial seawater. The aim of the research is to characterize the dissolution kinetics in order to provide information for the use of SL for ocean alkalinization, since the effects after its release into the sea have not yet been exhaustively studied. The use of SL for ocean alkalinization has two objectives: the contrast of ocean acidification and the CO2 absorption by sequestration from the atmosphere. An in-depth knowledge of the dissolution kinetics is important so as to optimize the dispersion of SL, minimizing at the same time the possible negative effects on the marine environment. The SL dissolution was studied in laboratory experiments by monitoring some variables of artificial seawater, with varying amounts of added Ca(OH)2. The solutions, contained in beakers under stirring, with a finite and constant volume, are in contact with the atmosphere. Several parameters were varied to measure, using appropriate sensors, the response of the variables, such as: pH and conductivity, with temporal resolution of one second. Moreover, additional measurements were made to quantify the alkalinity and solid residues after filtration of the solutions. The parameters varied during the tests were instead: temperature, salinity, stirring mode, the concentration and mode of dispersion of calcium hydroxide. The results show that the release of SL into seawater causes an increment in the values of pH, conductivity and alkalinity. The pH reaches values between 10 and 11, for SL concentrations up to 4 g/L. Above this concentration it grows rapidly, reaching values above 12, as in the case of 8 g/L. The variation of conductivity presents the same behaviour of the pH, with a sharp increase above the concentration of 4 g/L. Alkalinity increases significantly too, depending on the concentration and the time after the release of SL. The analysis of the filtered matter by X-ray diffraction reveals that it is mainly composed of brucite (Mg(OH)2) and calcite (CaCO3), while the SL is completely dissolved. The present data may be used to test and validate kinetics and fluid-dynamics models.

Questa tesi riguarda la dissoluzione dell'idrossido di calcio - Ca(OH)2, chiamato anche slaked lime, SL - in acqua di mare artificiale. La ricerca si pone come intento la caratterizzazione della cinetica di dissoluzione, al fine di fornire informazioni per l'utilizzo di SL per l'alcalinizzazione degli oceani, poiché i suoi effetti dopo il rilascio in mare non sono stati ancora studiati in maniera esaustiva. L'utilizzo di SL per l'alcalinizzazione degli oceani ha due obiettivi principali: il contrasto dell'acidificazione degli oceani e l'assorbimento di CO2 mediante il sequestro dall'atmosfera. Una conoscenza approfondita della cinetica di dissoluzione è importante per ottimizzare la dispersione di SL, minimizzando al tempo stesso le possibili conseguenze negative per l’ecosistema marino. La dissoluzione di SL è stata studiata tramite esperimenti di laboratorio monitorando alcune variabili dell’acqua di mare artificiale, con quantità variabili di Ca(OH)2. Le soluzioni, contenute in becher sotto agitazione, possiedono quindi un volume finito e costante e si trovano a contatto con l’atmosfera. Diversi parametri sono stati variati per misurare, mediante opportuni sensori, la risposta delle variabili, quali ad esempio: il pH e la conduttività, con risoluzione temporale di un secondo. Inoltre, sono state eseguite ulteriori misure per quantificare l’alcalinità e i residui solidi dopo la filtrazione delle soluzioni. I parametri variati durante le prove sono stati invece: la temperatura, la salinità, la tipologia di agitazione, la concentrazione e la modalità di dispersione dell’idrossido di calcio. I risultati hanno evidenziato che il rilascio di SL in acqua di mare ha causato un aumento dei valori di pH, conducibilità e alcalinità. Il pH ha raggiunto valori tra 10 e 11 per concentrazioni di SL fino a 4 g/L. Oltre questa concentrazione è cresciuto rapidamente raggiungendo valori superiori a 12, come nel caso di 8 g/L. La variazione di conducibilità ha mostrato lo stesso comportamento del pH, con un forte aumento sopra la concentrazione di 4 g/L. L'alcalinità è aumentata in maniera significativa, in funzione della concentrazione di SL disciolto e del tempo intercorso dal suo rilascio. Tramite un’analisi di diffrazione ai raggi X, è stato rilevato che la materia filtrata è composta principalmente da brucite (Mg(OH)2) e calcite (CaCO3), lo SL viene invece completamente disciolto in soluzione. I dati presentati potranno essere utilizzati per testare e validare modelli di cinetica e fluidodinamica.