Study for the geochemical weathering of sandstone in Gyeongsang basin on CO2 sequestration conditions

Abstract

이산화탄소 지중저장 조건에서 경상분지 사암에 대한 지화학적 풍화 연구

백 경 배

부경대학교 대학원 환경지질과학화

요 약 문

우리나라 이산화탄소 지중저장 예상 후보지인 경상분지의 사암을 이용하여 이산화탄소 지중저장 조건에서의 지화학적 변화를 알아보기 위해 반응 실험을 실시하였다. 지화학적 변화를 규명하기 위하여 사암 시료의 용해에 의한 용존 이온 농도 변화와 사암 무게 변화 그리고 표면 거칠기 계수의 변화를 알아보기 위한 SPM 분석, 반응에 따른 이차침전물의 생성을 알아보기 위한 SEM/EDS 분석 그리고 반응에 따른 광물의 구성성분의 변화를 알아보기 위한 EPMA 분석으로 실험을 나누어 실시하였다. 위 실험들의 분석 조건에 따라 두 가지의 다른 크기 (SPM 분석을 위한 1 cm X 1cm X 0.5 cm 크기 그리고 SEM/EDS 와 EPMA 분석을 위한 2 cm X 2cm X 0.5 cm 크기) 로 사암 시료를 제작하였다. 제작한 사암 슬랩은 폴리싱 한 후, 지하수 100 ml 가 들어있는 고압 셀에 고정시켰다. 그리고 순도 99.9 % 의 이산화탄소를 100 bar 의 압력으로 주입하였으며, 주입이 완료된 고압 셀은 오븐을 이용하여 50 ℃ 로 유지하였다. 용존 이온 농도 분석 및 SPM 분석 실험은 10일, 20일, 30일 그리고 60일 단위로 실험을 실시하였고, 사암 무게 변화 분석의 경우 10일 20일, 30일, 60일 그리고 90일 단위로 실험을 실시하였다. SEM/EDS 분석과 EPMA 분석을 위한 실험의 경우는 반응 시간을 30일 그리고 60일 로 정하고 시료를 분석하였다. 표면 거칠기 계수를 분석한 결과, 특히 사장석의 경우는 반응 전에는 0.109 nm 에서 반응 60일 후에는 1.153 nm 로 약 10배 정도 증가하였으며 대부분의 광물들은 3배~10배 정도 증가한 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 이산화탄소 지중저장 조건에서 초임계 이산화탄소와 지하수가 광물 표면에 접촉함에 따라 광물의 용해/침전 반응이 일어날 것이라고 판단되었다. 용존 이온 농도를 분석한 결과, Ca2+ 이온과 Fe2+ 이온의 증가를 확인하였다. 특히. Ca2+ 이온의 농도는 반응 전에는 544.3 mg/L 에서 반응 60일 후에는 663.7 mg/ L로 증가한 것을 알 수 있다. 반응 시간 90일 후의 사암 무게는 초기에 비해 12.44 % 가 감소하는 것을 확인하였다, 이러한 사암 무게 감소를 이용하여 1차 반응 상수를 도출하였다. 사암 1 g 의 90 % 가 용해되는 시간을 계산한 결과, S-1 슬랩과 S-2 슬랩은 각각 13.71년과 13.91년이 소요되는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 초임계 이산화탄소에 의해 사암의 지화학적 풍화가 빠르게 일어난다는 것을 보여준다. SEM/EDS 분석을 통해 방해석의 용해로 인한 천공이 발생하는 것을 관찰하였고 Ca2+ 가 풍부한 실리카 계열의 이차침전물의 생성을 관찰하였다. EPMA 분석을 통해 광물들의 구성성분의 변화를 분석한 결과, 대부분의 광물에서 Si4+ 이온과 Al3+ 이온이 감소하는 것을 관찰하였지만 Na+ 이온과 Fe2+ 이온이 증가하는 것을 알 수 있다, 이러한 지화학적 변화는 이산화탄소 저장량과 공극에서 주입된 이산화탄소의 유동을 통제하는 사암의 특성을 변화시킬 것으로 판단된다.

주요어 : 초임계 이산화탄소, 이산화탄소 지중저장, 이산화탄소 포획, 지화학적 반응, 이산화탄소 저장

Study for the Geochemical Weathering of Sandstone in Gyeongsang Basin on CO2 Sequestration Conditions

Kyoungbae Baek

Department of Earth Environmental sciences, Graduate School, Pukyong National University, Republic of Korea

Abstract

Lab scale experiments were performed to investigate the geochemical weathering process of sandstone by the injection of supercritical CO2 into sandstones of Gyeongsang basin, Korea. Two different types of sandstone slabs (1 cm X 1 cm X 0.3 cm size for SPM analysis and 2 cm X 2 cm X 0.3 cm size for SEM/EDS and EPMA analysis) were prepared for experiments and the supercritical CO2 sequestration condition (100 bar and 50 ℃) was reproduced by using the high pressurized cell (200 ml of capacity) system. Each sandstone slab was fixed on the bottom of cell and the cell was filled in with 100 ml of groundwater. Gaseous CO2 was injected into the cell by pressure of 100 bar and the injected cell maintained at 50 ℃ by using the oven. To investigate the weathering process, the surface roughness change of the sandstone slab, caused by the supercritical CO2-sandstone-groundwater reaction was analyzed on SPM. At a certain reaction time interval, concentrations of ions dissolved in groundwater were analyzed by ICP-OES. The mass of the sandstone slab was also weighed before/after the reaction to calculate the dissolution constant of the sandstone by the geochemical weathering process. SEM/EDS and EPMA analysis were performed after 60 days of the reaction to identify the secondary precipitation and the change of mineral composition. The average SRV (surface roughness value) of plagioclase on the sandstone slab increased from 0.109 nm to 1.153 nm for 60 days of the reaction and the average SRV of minerals in sandstones increased from 3 times to 10 times, suggesting that the dissolution and precipitation of mineral occurred in active when mineral contacts supercritical CO2 and groundwater at the sequestration condition. Results for analysis of dissolved ions showed that the concentration of Ca2+ and Fe2+ in groundwater increased by the reaction. Especially, the concentration of Ca2+ increased from 544.3 mg/L to 663.7 mg/L after 60 days. 12.54 % of the original mass for the sandstone slab was dissolved after 90 days of the reaction. The first-order dissolution constant (Kd) was calculated by using results for the decrease of sandstone mass. The dissolution time that 90 % of 1 g sandstone is dissolved into groundwater by the reaction was predicted by using the first-order dissolution constant. The dissolution time for 90 % in 1g of sandstone per unit area (1 cm X 1cm X 0.3 cm) was estimated as 13.71 years and 13.91 years by using the first-order constant (Kd) in S-1 slab and S-2 slab, respectively. These results showed that the geochemical weathering occurred rapidly by the supercritical CO2. Results of SEM /EDS analysis showed that the calcite perforations of the sandstone slab occurred for 60 days of the reaction and the secondary precipitation such as Ca-rich silicate mineral was created by the reaction. EPMA analysis showed that Si4+ and Al3+ contents decreased but Na+ and Fe2+ contents increased by the reaction. Results suggested that the geochemical weathering process may change the properties of sandstone, which controls CO2 storage capability and the distribution of CO2 in pore spaces when CO2 was injected into the sandstone of Gyeongsang basin, Korea.

Key word : supercritical CO2, CO2 sequestration, CO2 capture. geochemical reaction, CO2 storage