이산화탄소 지중저장 조건에서 초임계 이산화탄소-지하수-광물 반응에 대한 지화학적 변화 규명

Abstract

요 약

이산화탄소 지중저장의 신뢰성 재고와 실용화를 위하여 이산화탄소 지중저장 시 발생하는 초임계 이산화탄소-지하수-광물과의 지화학적 반응 실험을 실시하였다. 초임계 이산화탄소-지하수-광물 반응에 수반되는 광물의 표면 변화 정도를 규명하기 위하여 SPM(Scanning Probe Microscopy)을 사용하여 광물 시료 표면의 거칠기 변화를 관찰 측정하였고, 광물 표면의 거칠기 변화 실험의 결과에 대한 정성적 분석과 함께 정량적 분석을 시도하기 위하여 ICP-OES(Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometer)를 사용하여 지하수 시료 내에 용존 되어있는 양이온의 농도분석을 수행하였다. 실험은 단일 광물 시료인 감람석((Mg, Fe)2SiO4), 녹니석((Mg, Fe, Al)12(Si, Al)8O20(OH)16), 정장석(KAlSi3O8)에 대하여 수행하였고, 광안리 해안에 위치한 심부 800 m의 지하수와 고압셀을 사용하여 초임계 이산화탄소가 존재하는 지중조건의 범위인 50°C 및 100 bar에서 실시하였다. 반응 시간 경과에 따른 SPM 영상으로부터 고온고압환경에서 초임계 이산화탄소가 용해된 지하수와 반응한 세 광물 모두에서 반응 후 시간이 경과함에 따라 광물 표면의 거칠기가 증가하는 것을 관찰할 수 있었으며, SPM으로부터 산출된 표면 거칠기 값은 정장석, 감람석, 녹니석 순으로 크게 나타났다. 지하수 시료 내에 용존 되어있는 양이온의 농도 분석을 수행한 결과 감람석, 녹니석, 정장석 순으로 농도 증가량이 크게 나타났으며, 광물 시료의 조성 성분이 반응성이 큰 Ca, Mg, Fe 성분이 풍부할수록 용해되는 이온의 농도 증가량이 높은 것을 알 수 있었다. 초임계 이산화탄소-지하수-광물 반응 후, 광물의 표면 거칠기 증가와 지하수 내 용존 되어 있는 양이온의 농도 증가로부터 실험에 사용된 단일광물 시료의 경우 광물의 화학적 풍화가 매우 빠른 속도로 진행될 수 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 광물의 풍화는 이산화탄소 지중저장의 대상이 되는 지역의 심부 대수층의 공극율을 변화시켜 이산화탄소의 저장능력 및 거동에 영향을 미칠 수 있을 것으로 예측된다.

Study on Geochemical Reactions in Supercritical CO2-Groundwater-Mineral Systems

Minjeong Ko

Department of Energy Resources Engineering, Graduate School Pukyong National University

Abstract For better understanding on efficiency of geological sequestration of CO2, geochemical reactions in supercritical CO2-groundwater-mineral system were observed and analyzed for geochemical assessment. In this work, surface topographic measurement and cations concentration analysis were conducted to investigate dissolution of various minerals - olivine((Mg, Fe)2SiO4), chlorite((Mg, Fe, Al)12(Si, Al)8O20(OH)16) and K-feldspar(KAlSi3O8) - in supercritical CO2 under CCS(Carbon Dioxide Capture and Storage) conditions. A high pressurized cell system was applied to create temperature and pressure conditions(323.15K, 10 MPa) in deep saline aquifers for sequestration. Groundwater collected from deep wells for hot springs at Gwangalli(800 m) located in Busan, Korea was applied for brine in the aquifer. During the 30 days of reaction experiments, dissolution of minerals was the predominant process and precipitation of secondary was not observed. SPM(Scanning Probe Microscopy) was applied to measure the roughness of mineral samples before and after the experiments. At every 10 days, changes in cations concentration in the groundwater solution analyzed using ICP-OES(Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometer). The results from SPM showed that the average roughnesses of the tested mineral surfaces significantly increased - from 1.27 nm to 17.35 nm for olivine; from 5.20 nm to 9.94 nm for chlorite; from 4.47 nm to 32.62 nm for K-feldspar. Every 10 days, changes in cations concentrations in groundwater solutions were analyzed using ICP-OES. For olivine, Ca2+ and Mg2+ concentrations in solution increased from 528.1 mg/L and 13.01 mg/L to 644.6 mg/L and 65.81 mg/L, respectively. For chlorite, Fe2+ and Na+ concentrations increased from 0 mg/L and 621.6 mg/L to 100.2 mg/L and 675.9 mg/L, respectively. For the case of K-feldspar, the changes in cations concentrations were smaller than that of other two minerals. It is noteworthy that concentration of K+, which is rich in K-feldspar, rarely increased after the 30-days of experiment. The results were analyzed as interfacial changes in CO2-groundwater-mineral systems under high pressure and high temperature conditions. These changes could imply changes in porosity and permeability of aquifer materials and changes in composition of porewater in the early stage of geological sequestration of CO2.