[en] In this work two research topics are presented: investigation of carbonation reactions of high – calcium waste materials and CO2 storage in coal. Firstly, sorption capacity of CO2 and CH4 of hard coal and associated sorption-induced expansion of the material was measured. This investigation was maintained in isothermal and non-isothermal conditions. Experiments were done on purpose-design apparatus allowing simultaneous measurement of sorption kinetics and sorption-induced swelling/contraction of coal. Chosen coal sample had higher sorption capacity for CO2 when compare to capacity for CH4.. Next to CO2 storage, the topic of CO2 utilization has been investigated. Carbonation of European high-calcium fly ashes is assessed. The experiments have been done on different fly ashes with content of 5-36% CaO. Complementary, characterization and analysis of fly ash samples has been performed. Acceleration of carbonation has been explored. Experiments has been done in temperature range between 25 and 290°C, 1-12 bar of CO2, CO2 + H2O and simulated flue gas over reaction times between 2 and 72 hours. Major conclusions of this work is that increasing the temperature and pressure strongly enhances the process of carbonation. Also, addition of water vapor substantially accelerates the process and increase its kinetics. This thesis reports that maintaining the carbonation process without steam addition leads to effective carbonation conversion. Chemical fixation of CO2 molecules with solid material of fly ash with high content of CaO to produce calcium carbonate is possible. The highest sequestration capacity achieved is 117.7 g CO2/kg fly ash and highest carbonation efficiency obtained is 48%. The microstructural analysis of fly ash samples showed the evolution of the cenosphere surface according to the carbonation experiments conditions. Different shapes and sizes of calcium carbonate has been detected after carbonation experiments. The compositional constraints of fly ashes that control reaction with CO2 has been described. It was found that not the bulk content of CaO is the factor controlling the carbonation reaction, but the content of free lime. Impact on carbonation of two pressure flow systems was assessed: batch and continuous flow, with and without addition of steam. Using he batch treatment with addition of steam gave the highest carbonation efficiency. Another set of carbonation experiments which has been done was with using simulated flue gas (84% N2, 15% CO2, 1 % H2O) instead of pure CO2 stream, in conditions: 160°C, 6 bar of gas and 2 hours of reaction time. It was concluded that using flue gas instead of pure stream of carbon dioxide lowers the carbonation rate of about 9%. Final part of this research was to determine the change of free lime content in fly ash samples before and after carbonation. Carbonation reactions lead to substantial decrease of free lime contents in fly ashes. In most cases, the amount of free lime in fly ash after carbonation was compatible with the current EU legislations regarding fly ash incorporation to cement as admixture.

[es] En este trabajo se presentan dos temas de investigación: almacenamiento de CO2 en carbón y carbonatación de residuos industriales con un alto contenido en calcio. En primer lugar, se midió la capacidad de sorción de CO2 y CH4 de la hulla y su asociada expansión. Esta investigación se mantuvo en condiciones isotérmicas y no isotérmicas. Los experimentos se realizaron en un aparato diseñado específicamente, el cual permite la medición simultánea de la cinética de sorción y su asociada expansión y contracción. La muestra de carbón elegido tenía una mayor capacidad de absorción de CO2 comparado a CH4. Además, la absorción de CO2 indujo una expansión de volumen en el carbón, duplicando la obtenida tras la absorción de CH4. La cinética de deformación lineal muestra que la expansión del carbón inducida por ambos gases es anisotrópica, y es mayor en la dirección perpendicular al plano de estratificación que en paralelo a este. El análisis dilatométrico hace referencia a la deformación del material en presencia de CH4 es casi dos veces más baja que la obtenida en presencia de CO2, en el mismo rango de presión. El aumento de temperatura da como resultado una expansión adicional del carbón cuando se expone a CH4. La absorción de CO2 en el carbón en condiciones iso-térmicas conduce a la contracción de la muestra. Esto podría estar asociado con la composición petrográfica del carbón. Los datos obtenidos de la cinética de absorción y expansión de carbón se ajustaron en una ecuación cinética. El modelo utilizado fue: 'Ecuación Exponencial Estirada'. El modelado de la cinética de absorción y expansión es importante para determinar la respuesta del carbón como posible almacenamiento de gas y permite predecir los cambios en la absorción-transporte de carbón. Junto al almacenamiento de CO2, la utilización de este también ha sido investigado. Se evalúa la carbonatación de las cenizas volante de origen europeo con alto contenido en calcio. Los experimentos se han realizado en diferentes cenizas volantes con un contenido entre 5-36% de CaO. Un estudio detallado de la carbonatación acelerada de las cenizas volantes has sido llevado a cabo Los experimentos se han realizado en un rango de temperatura entre 25 y 290°C, 1 - 12 bares de CO2, CO2 + H2O y gases de combustión simulados durante tiempos de reacción entre 2 y 72 horas. La principal conclusión de este trabajo es: el aumento de temperatura, presión y la adición de vapor de agua acelera considerablemente el proceso de carbonatación en estos materiales. Evidencias experimentales sugieren que una carbonatación efectiva se puede obtener sin la adición de vapor de agua. La mayor capacidad de CO2 secuestrado es de 117.7 g CO2/kg de cenizas volantes y la mayor eficiencia de carbonatación obtenida equivale a 48%. El análisis microestructural de las cenizas volantes mostró una evolución de la superficie de la cenosferas según las condiciones de los experimentos de carbonatación. Se han detectado diferentes formas y tamaños de carbonato de calcio después de los experimentos de carbonatación Se han descrito las restricciones referidas a la composición de las cenizas volantes que controlan su reacción con CO2. Se encontró que el factor dominante que controla la reacción de carbonatación es el contenido mineralógico de cal libre, en lugar del contenido total de CaO. Se evaluó el impacto en la carbonatación de dos sistemas presurizados: batch y flujo continuo, con y sin adición de vapor. Las reacciones llevadas a cabo en sistemas tipo batch con la adición de vapor produjeron la mayor eficiencia de carbonatación. Otra serie de experimentos de carbonatación realizados consistieron en el uso de gas de combustión simulado (84% N2, 15% CO2, 1% H2O) en lugar de CO2 puro. Las condiciones experimentales fueron: 160°C, 6 bares de presión total y 2 horas de tiempo de reacción. Se concluyó que el uso de gas de combustión en lugar de dióxido de carbono puro reduce la tasa de carbonatación de aproximadamente el 9%. Finalizando, el contenido de cal libre ha sido determinado para cada muestra antes y después de las reacciones de carbonatación en una variedad de cenizas volantes. Las reacciones de carbonatación produjeron una disminución sustancial del contenido de cal libre en las cenizas volantes. En la mayoría de los casos, el contenido de cal libre después de la carbonatación fue compatible con las legislaciones actuales de la UE con respecto a la incorporación de cenizas volantes al cemento como aditivo.