Mineral storage of carbon in basaltic rocks at elevated temperatures. A field and experimental study.

Deirdre Clark

Research output: Types of ThesisPh.D. Thesis

Abstract

The reduction of carbon dioxide (CO2) emissions in the atmosphere is currently one of the main challenges facing humanity. One solution is carbon capture from concentrated sources and directly from the atmosphere, and long term storage in rocks. Basaltic rocks are rich in divalent cations, Ca2+, Mg2+ and Fe2+, which react with the dissolved CO2 to form stable carbonate minerals. Mineralization of water-dissolved CO2 injected into basaltic rocks at 20–50 °C occurs within two years in field-scale settings. In this study, a high-pressure column flow-through experiment was run to simulate CO2 injection into glassy basaltic rocks at 50 °C. The aim of this experiment was to investigate the proportions of injected dissolved CO2 and high-pH groundwater needed to reach a “sweet spot” in the reacted fluid composition that favors the saturation of carbonates rather than zeolites and clays at pH 5.2–6.5 at 50 °C, as all compete for diva- lent cations and pore space. Results highlighted the importance of initial pCO2 and pH values to obtain a balance between the formation of carbonates versus clays and zeolites. Moreover, modelling indicates that pauses in CO2 injection while still injecting water can result in enhanced large molar volume Ca-Na-zeolite and Mg-Fe-clay formation that consumes pore space within the rocks. Parallel to the laboratory experiment, industrial-scale testing of a CO2-H2S gas mixture injection commenced in 2014 at the Hellisheiði geothermal power plant in Iceland. By the end of 2017, 23,200 metric tons of CO2 and 11,800 metric tons of hydrogen sulfide (H2S) had been injected to a depth of 750 m into fractured, hydrothermally altered basalts at > 250 °C. We collected over 80 water and gas samples from monitoring and injection wells, before and during injection. Major, minor, and trace element geochemi- cal data were compiled to assess the magnitude of carbon and sulfur mineralization in the subsurface in relation to relevant primary and secondary minerals in the geothermal reservoir and to evaluate the potential scavenging and mobility of trace metals. During the first phase of the CarbFix2 injection (June 2014 to July 2016), over 50% of injected carbon and 76% of sulfur mineralized within four to nine months. Four months after the doubling of gas injection rates in July 2016, the decrease in injected fluid pH led to increased mineralization during the second phase (July 2016 to Decem- ber 2017), resulting in over 60% of the injected carbon and over 85% of the sulfur mineralizing. Doubling the gas injection rate brought the gas-charged fluids closer to the “sweet spot” of mineralization. The Ca release from the reservoir rocks to the fluid phase is a potential limiting factor for calcite (CaCO3) precipitation, although dolomite (Ca,Mg(CO3)2) and thus aqueous Mg may also play a role in the mineralization of the injected carbon. The mineralization rates are accelerated by the high temperatures (> 250 °C) of the formation rocks, but this is the upper temperature limit for carbon storage via the mineral carbonation of basalts due to decarbonation reactions. However, the injectivity of the injection well has remained stable throughout the study period confirming that the host rock permeability has been essentially unaffected by 3.5 years of mineral carbon and sulfur reactions. Basalt rock dissolution is also known to release trace elements, having been exten- sively studied in Icelandic geothermal systems. Yet, little is known with regards to their mobility as a consequence of gas injection into basaltic rocks. The results here reveal the mobilization and uptake of several trace elements, particularly Ba, Sr, As, and Mo. Carbonates, sulfides, and secondary minerals such as epidote and actinolite likely incorporated these elements, among others. Notably, although these geothermal fluids are not meant for consumption, the trace elements were generally not above the drinking water standards set by the World Health Organization, the European Union, and Iceland, with the main exception of As. However, while As was significantly elevated before and during the first year of gas injection, concentrations have since been greatly reduced over time to levels at or below drinking water standards.
Eitt af höfuðvandamálum þeim, sem mannkynið stendur frammi fyrir um þessar mundir, er hvernig draga megi úr losun koltvíoxíðs (CO2) til andrúmsloftsins. Ein lausnin væri að fanga koltvíoxíðið úr útblæstri iðju- og orkuvera, eða þá beint úr andrúmslofti, og binda það til frambúðar í bergi. Basalt er auðugt af tvígildum katjónum, Ca2+, Mg2+ og Fe2+, sem geta leyst úr bergi og hvarfast við koldíoxíð, og myndað þannig stöðugar karbónatsteindir. Koldíoxíð, sem leyst er upp í vatni og dælt niður í basaltsvæði, stein- rennur á innan við tveimur árum. Í rannsókn þessari var gerð rennslistilraun í háþrýstihvarfasúlu, sem svo er kölluð, til að herma dælingu koltvíoxíðs í glerað basalt við 50°C. Var þetta gert í því augnamiði að kanna hver hlutföll koltvíoxíðsins og vatnsins, sem það væri leyst í, þyrftu að vera til þess að skapa kjöraðstæður til útfellingar karbónata, fremur en zeólíta eða leirsteinda, við 50°C og pH-gildi á bilinu 5,2 til 6,5, en allar þessar steindir keppa um tvígildar katjónir og holrými í berginu. Niðurstöðurnar sýna glöggt, að upphaflegt pH-gildi og styrkur koltvíoxíðs í niðurdælingarvatninu skipta mestu um að þessar kjöraðstæður náist. Líkanreikningar sýna enn fremur, að ef hlé er gert á innstreymi koltvíoxíðs en niðurdælingu vatns haldið áfram, aukast líkur á myndun rúmmálsfrekra Ca-Na-zeólíta og Mg-Fe-leirsteinda, sem taka upp holrými í berginu. Samhliða tilraunum á rannsóknarstofu hófst niðurdæling blöndu koltvíoxíðs og brenni- steinsvetnis árið 2014 í svonefndu CarbFix2 verkefni við Hellisheiðarvirkjun. Í árslok 2017 hafði 23.200 tonnum af koltvíoxíði og 11.800 tonnum af brennisteinsvetni verið dælt niður á 750 m dýpi, í sprungið og ummyndað basalt, heitara en 250°C. Safnað var meira en 80 sýnum af vatni og gasi úr vöktunar- og niðurdælingarholum, bæði fyrir niðurdælingu og meðan á henni stóð. Styrkur aðal-, auka- og snefilefna var mældur í þeim tilgangi að leggja mat á hlut steinrunninna gasa, reikna mettunarstig frum- og ummyndunarsteinda í berginu, og til að kanna hreyfanleika og upptöku snefilefna. Í fyrsta áfanga CarbFix2 niðurdælingarinnar, frá júní 2014 til júlí 2016, steinrunnu meira en 50% af koltvíoxíðinu og 76% af brennisteinsvetninu á fjórum til níu mánuðum. Niðurdælingin var tvöfölduð í öðrum hluta verkefnisins, frá júlí 2016 til desember 2017, og jókst þá steinrenningin á fjórum mánuðum, þannig að 60% koltvíoxíðsins og meira en 85% brennisteinsvetnisins bundust í bergi. Tvöföldun innstreymis gass hafði þá lækkað pH-gildi vökvans og fært hann nær kjöraðstæðum útfellingar. Leysing Ca úr bergi er væntanlega sá þáttur sem takmarkar útfellingu kalsíts, en dólómít og uppleyst Mg skipta trúlega einnig máli fyrir steinrenningu koltvíoxíðsins. Hár hiti bergsins, yfir 250°C, flýtir steinrenningu, en hann er við efri mörk þess að leyfa steinrenningu koltvíoxíðs, því karbónatsteindir vilja brotna niður við hærri hita. Ádælingarstuðull niðurdælingarholunnar hélst stöðugur á því hálfu fjórða ári sem tilraunin stóð yfir, sem sýnir að steinrenningin hefur enn ekki spillt lekt bergsins svo neinu nemi. Uppleysing basalts losar einnig snefilefni, sem talsvert hafa verið rannsökuð í íslensk- um jarðhitakerfum. Lítið er samt vitað um hreyfanleika þeirra í kjölfar niðurdælingar gasa í basalt. Niðurstöður þessa verkefnis sýna fram á losun og upptöku nokkurra snefilefna, einkum Ba, Sr, As og Mo. Þessi efni, og fleiri, eru væntanlega tekin upp af karbónötum, súlfíðum svo og ummyndunarsteindum eins og epídóti og aktínólíti. Þótt þessi jarðhitavökvi sé ekki ætlaður til drykkjar, er engu að síður eftirtektarvert að styrkur snefilefna í honum er yfirleitt undir þeim mörkum sem neysluvatnsstaðlar Alþjóðaheilbrigðismálastofnunarinnar, Evrópusambandsins og íslenskra stjórnvalda setja. Helsta undantekningin er þó styrkur arsens. Hann var umtalsvert hærri áður en niðurdæling hófst, svo og á fyrsta ári hennar, en lækkaði síðan mikið með tímanum, og það niður fyrir mörk téðra neysluvatnsstaðla.
Original languageEnglish
QualificationDoctor
Supervisors/Advisors
  • Gíslason, Sigurður Reynir, Supervisor
Publisher
Print ISBNs978-9935-9473-8-3
Publication statusPublished - 23 Oct 2019

Other keywords

  • Carbon storage
  • CarbFix
  • Koltvíoxíð
  • Loftmengun
  • Jarðfræði
  • Doktorsritgerðir

Fingerprint

Dive into the research topics of 'Mineral storage of carbon in basaltic rocks at elevated temperatures. A field and experimental study.'. Together they form a unique fingerprint.

Cite this