La carbonatazione nelle varie applicazioni della calce

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In molte applicazioni, la calce svolge un ruolo determinante per la cattura della CO2 emessa nel processo di produzione. Vediamo quali sono.

Come ben noto, la calce è un prodotto estremamente versatile e disponibile. Utilizzato fin dall’antichità, già i Romani ne facevano uso sotto forma di malta per costruire molte delle opere che sono giunte fino ai nostri giorni. Oggi, grazie alle sue caratteristiche uniche, viene impiegato in molti settori quali la siderurgia, l’edilizia, l’industria alimentare, l’agricoltura e in molte applicazioni ambientali.

Ogni anno, in Europa si producono oltre 20 milioni di tonnellate di calce in varie forme. La calce viene ottenuta mediante riscaldamento dal calcare (CaCO3), risorsa base estratta dalle cave, che portato ad una certa temperatura (> 900 °C) si trasforma in ossido (CaO) rilasciando nell’ambiente una quota importante di CO2, la cosiddetta “CO2 di processo”.

La CO2 prodotta dalla decomposizione della materia prima, il calcare, è pari a più di 2/3 della quantità complessiva emessa. Mentre la CO2 di combustione può essere ridotta, passando a fonti energetiche di minore impatto in termini di emissioni, lo stesso non può dirsi per la CO2 di processo, le cui emissioni fanno intrinsecamente parte della reazione chimica da cui la calce ha origine.

La calce come deposito naturale di carbonio

Nonostante il suo processo di produzione preveda elevate emissioni di carbonio, tuttavia, la calce possiede una proprietà importante e particolarmente significativa rispetto agli obiettivi di neutralità climatica in termini di emissioni di gas serra del Green Deal Europeo entro il 2050.

Man mano che si trasforma in calcare mediante un processo naturale chiamato carbonatazione, la calce cattura infatti la CO2 ambientale. La percentuale di CO2 catturata in rapporto a quella emessa durante il processo di produzione rappresenta il tasso di carbonatazione di un’applicazione.

Il riassorbimento della CO2, a seconda delle applicazioni, può essere quasi immediato, durante l’utilizzo stesso della calce, oppure avvenire in tempi più lunghi. Tuttavia, attualmente, la quota di CO2 che la calce riassorbe non è ancora considerata nel calcolo dell’impronta di carbonio del settore.

Nell’ottica di indagare al meglio questa proprietà naturale della calce e quantificare i tassi di carbonatazione di tutte le principali applicazioni, nel 2018 EuLA (European Lime Association) ha commissionato al Politecnico di Milano una revisione della letteratura peer ­reviewed sulla carbonatazione della calce. Definire e quantificare in modo chiaro il ruolo della calce nell’eliminazione e nello stoccaggio permanente di CO2 consentirà, infatti, all’industria europea della calce di diventare un partner di primo piano nella campagna condivisa per la neutralità in termini di emissioni carboniche in Europa. Come membro attivo dell’EuLA, Unicalce ha preso parte a questa iniziativa.

Carbonatazione della calce: che impatto ha

Per un’analisi accurata dell’impronta di carbonio dell’industria della calce è necessario disporre di dati certi, relativi al tasso di carbonatazione di tutte le principali applicazioni della calce e alle rispettive quote occupate rispetto all’industria della calce nel suo complesso. A tale scopo, il PoliMI ha analizzato i processi di carbonatazione naturali e forzati in numerose applicazioni della calce, prendendo in considerazione la quantità e l’attendibilità dei dati e delle informazioni disponibili.

Per quelle applicazioni in cui esistono dati scientifici definitivi sul tasso di carbonatazione, otto in tutto, è stato possibile stabilire che la quantità di CO2 riassorbita durante l’utilizzo varia dal 5% al 100% in funzione della specifica applicazione.

Lo studio permette di affermare che il tasso di carbonatazione naturale dell’industria della calce in Europa rappresenta, in media, il 33% delle emissioni di CO2 di processo originariamente generate dalla produzione di calce. È importante inoltre sottolineare che il processo di carbonatazione avviene in gran parte entro il primo anno dell’impiego.

Come quantificare la carbonatazione nelle applicazioni della calce 

Uno degli impieghi più comuni e più antichi della calce è nell’edilizia, sotto forma di malta, originata dalla miscela di calce aerea (calce idrata Ca(OH)2 e aggregati, che una volta applicata, in seguito all’esposizione alla CO2 atmosferica, con il passare del tempo, indurisce per carbonatazione, trasformandosi in carbonato di calcio (CaCO3).

I cristalli di carbonato di calcio, più grandi dei cristalli di calce, riempiono i micro spazi vuoti, ad esempio nelle fessure, crescendo fino a sigillarle. Questa caratteristica riduce la penetrazione dell’acqua e aumenta la durabilità delle malte. In questa applicazione, gli studi hanno dimostrato che il tasso di carbonatazione naturale della calce arriva fino all’80% ed ha un aumento graduale nel tempo, normalmente pari alla vita utile dell’edificio, in funzione della profondità dello spessore di malta applicato.

Nel trattamento dell’acqua potabile, per numerose applicazioni come l’addolcimento, la regolazione del pH, la neutralizzazione di acidi, la rimozione di metalli, la regolazione dell’alcalinità o la rimozione di fluoruri, fosfati, solfati e di composti dell’azoto, la calce assorbe istantaneamente la quasi totalità della CO2 emessa nel processo di produzione. In particolare, quando l’acqua è troppo dura, cioè contiene troppi bicarbonati, viene addolcita utilizzando calce idrata (Ca(OH)2), che ne causa la precipitazione sotto forma dei composti insolubili di carbonato di calcio che vengono eliminati per filtrazione.

Un altro esempio di assorbimento pressoché istantaneo e totale riguarda la produzione dei carbonati di calcio precipitati (PCC), che si ottengono chimicamente a partire dalla combinazione di anidride carbonica (CO2) e calce (CaO), in condizioni operative controllate. Un impiego di questo tipo di applicazione della calce avviene nella produzione di carta e cellulosa.

Una carbonatazione più lenta, ma significativa in termini di quantità, si ha invece nell’industria siderurgica. La calce viene utilizzata in varie fasi del processo metallurgico, per la rimozione progressiva delle impurità, le cosiddette scorie, sia nel caso della produzione del ferro che dell’acciaio. Le scorie rimosse, normalmente stoccate all’aperto in forma di accumuli, reagiscono con la CO2 presente nell’aria, assorbendola. Durante lo stoccaggio delle scorie di acciaio, il tasso di carbonatazione naturale può arrivare fino al 28% in meno di 1 anno; la velocità di assorbimento dipende dal tempo di esposizione delle scorie all’aria, dall’umidità e dalla finezza delle scorie. Il valore è significativo perché il mercato della siderurgia in Europa rappresenta circa il 42% dei volumi di calce prodotta.

In tutte queste applicazioni, la carbonatazione considerata avviene come fenomeno naturale, conseguente all’uso della calce. Ma questo processo può essere anche forzato: è infatti possibile, con tecnologie specifiche, aumentare la superficie di contatto tra i sottoprodotti contenenti calce e la CO2 e conseguentemente modificare le modalità di impiego della calce allo scopo di massimizzare il tasso di carbonatazione che potrebbe arrivare fino al 40%, a tutto vantaggio dell’ambiente.

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