Experimental Study on the Geochemical and Mineralogical Alterations in a Supercritical CO2-Groundwater-Zeolite Sample Reaction System

In this study, a series of autoclave experiments were conducted in order to investigate the geochemical and mineralogical effects of carbon dioxide on deep subsurface environments. High pressure and temperature conditions of $50^{\circ}C$ and 100 bar, which are representative environments for geological $CO_2$ sequestration, were created in stainless-steel autoclaves for simulating the interactions in the $scCO_2$-groundwater-mineral reaction system. Zeolite, a widespread mineral in Pohang Basin where many researches have been focused as a candidate for geological $CO_2$ sequestration, and groundwater sampled from an 800 m depth aquifer were applied in the experiments. Geochemical and mineralogical alterations after 30 days of $scCO_2$-groundwater-zeolite sample reactions were quantitatively examined by XRD, XRF, and ICP-OES investigations. The results suggested that dissolution of zeolite sample was enhanced under the acidic condition induced by dissolution of $scCO_2$. As the cation concentrations released from zeolite sample increase, $H^+$ in groundwater was consumed and pH increases up to 10.35 after 10 days of reaction. While cation concentrations showed increasing trends in groundwater due to dissolution of the zeolite sample, Si concentrations decreased due to precipitation of amorphous silicate, and Ca concentrations decreased due to cation exchange and re-precipitation of calcite. Through the reaction experiments, it was observed that introduction of $CO_2$ could make alterations in dissolution characteristics of minerals, chemical compositions and properties of groundwater, and mineral compositions of aquifer materials. Results also showed that geochemical reactions such as cation exchange or dissolution/precipitation of minerals could play an important role to affect physical and chemical characteristics of geologic formations and groundwater.

초임계 이산화탄소-지하수-제올라이트 시료 반응계에서의 지화학적 및 광물학적 변화에 관한 실험적 연구

본 연구에서는 지중 유입된 이산화탄소가 심부 지질구조 내 지하 환경에 미치는 지화학적 및 광물학적 영향을 규명하기 위한 일련의 고압셀 실험이 수행되었다. 실험을 통하여 이산화탄소 지중저장 조건에 해당하는 $50^{\circ}C$와 100 bar의 고온 고압조건을 고압셀 내에서 구현하고, 초임계 $CO_2$-지하수-광물 시스템 내에서의 반응 실험을 실시하였다. 반응 실험은 최근 국내 이산화탄소 지중저장의 후보지로서 많은 연구가 진행되고 있는 포항분지에 널리 분포하는 광물 중 하나인 제올라이트와 지하 800 m에서 채취된 심지층의 지하수를 대상으로 수행되었다. 상온 상압 및 고온 고압 환경에서 30일간 진행된 $CO_2$-지하수-제올라이트 반응으로 야기된 광물과 지하수 시료의 지화학적 및 광물학적 변화는 XRD, XRF, ICP-OES 등의 분석을 통해 정량적으로 규명하였다. 실험의 결과는 초임계 이산화탄소의 용해로 조성된 산성 환경에서 제올라이트 시료의 용해 반응이 촉진되었음을 보여 주었다. 제올라이트 시료로부터 용출된 양이온 농도가 증가함에 따라 지하수 내 $H^+$가 소모되고, 반응 10일 이후에는 지하수의 pH가 10.35 까지 증가하였다. 또한 제올라이트 시료의 용해 반응으로 인해 지하수 내 용존 양이온의 농도는 전반적으로 증가하는 경향을 보였으나, Si는 산성조건에서 비정질 규산염으로 재침전되고, Ca는 양이온 교환과 방해석으로의 재침전으로 농도가 감소한 것으로 나타났다. 실험 과정을 통하여 초임계 이산화탄소의 유입이 대수층 내 구성 광물의 용해 특성, 지하수의 화학적 조성과 물성, 대수층의 광물학적 조성 등에 변화를 발생시킬 수 있음을 보여주었다. 또한 광물상의 용해/침전과 양이온 교환 등 지화학적 반응들이 지중저장 관련 지층의 암석과 지하수의 물리적 또는 화학적 변화에 중요한 역할을 담당하고 있음을 보여주었다.