Journal of Soil and Groundwater Environment (한국지하수토양환경학회지:지하수토양환경)

Korean Society of Soil and Groundwater Environment (한국지하수토양환경학회)
권호 표지

A Comparison Study of Alkalinity and Total Carbon Measurements in $CO_2$-rich Water

탄산수의 알칼리도 및 총 탄소 측정방법 비교 연구

  • Jo, Min-Ki (Korea Institute of Geoscience & Mineral Resources (KIGAM)) ;
  • Chae, Gi-Tak (Korea Institute of Geoscience & Mineral Resources (KIGAM)) ;
  • Koh, Dong-Chan (Korea Institute of Geoscience & Mineral Resources (KIGAM)) ;
  • Yu, Yong-Jae (Department of Geology & Earth Environmental Sciences, Chungnam National University) ;
  • Choi, Byoung-Young (Korea Institute of Environmental Science & Technology)
  • Received : 2009.04.18
  • Accepted : 2009.06.25
  • Published : 2009.06.30
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

Alkalinity and total carbon contents were measured by acid neutralizing titration (ANT), back titration (BT), gravitational weighing (GW), non-dispersive infrared-total carbon (NDIR-TC) methods for assessing precision and accuracy of alkalinity and total carbon concentration in $CO_2$-rich water. Artificial $CO_2$-rich water(ACW: pH 6.3, alkalinity 68.8 meq/L, $HCO_3^-$ 2,235 mg/L) was used for comparing the measurements. When alkalinity measured in 0 hr, percent errors of all measurement were 0~12% and coefficient of variation were less than 4%. As the result of post-hoc analysis after repeated measure analysis of variance (RM-AMOVA), the differences between the pair of methods were not significant (within confidence level of 95%), which indicates that the alkalinity measured by any method could be accurate and precise when it measured just in time of sampling. In addition, alkalinity measured by ANT and NDIR-TC were not change after 24 and 48 hours open to atmosphere, which can be explained by conservative nature of alkalinity although $CO_2$ degas from ACW. On the other hand, alkalinity measured by BT and GW increased after 24 and 48 hours open to atmosphere, which was caused by relatively high concentration of measured total carbon and increasing pH. The comparison between geochemical modeling of $CO_2$ degassing and observed data showed that pH of observed ACW was higher than calculated pH. This can be happen when degassed $CO_2$ does not come out from the solution and/or exist in solution as $CO_{2(g)}$ bubble. In that case, $CO_{2(g)}$ bubble doesn't affect the pH and alkalinity. Thus alkalinity measured by ANT and NDIR-TC could not detect the $CO_2$ bubble although measured alkalinity was similar to the calculated alkalinity. Moreover, total carbon measured by ANT and NDIR-TC could be underestimated. Consequently, it is necessary to compare the alkalinity and total carbon data from various kind of methods and interpret very carefully. This study provide technical information of measurement of dissolve $CO_2$ from $CO_2$-rich water which could be natural analogue of geologic sequestration of $CO_2$.

탄산수를 대상으로 알칼리도 및 총 탄소 측정 방법의 타당성을 평가하기 위하여 산중화 적정법, 역적정법, 침전법, NDIR-TC 측정법 등 다양한 측정방법을 적용하였다. 인공적으로 제조한 탄산수(ACW(Artificial $CO_2$-rich Water): pH = 6.3, alkalinity = 68.8 meq/L, $HCO_3^-$ = 2,235 mg/L)의 알칼리도 및 총 탄소를 측정한 결과, 탄산수 제조와 동시에 측정된 시료에서는 상기한 모든 측정방법에서 비교적 정확한 측정값을 얻어내었다. 이때 퍼센트 오차는 0~12% 수준이었으며, 반복측정 분산분석(repeated measure ANOVA)의 사후 분석 결과 각 측정 방법간 차이는 95% 신뢰수준에서 없는 것으로 판정되었다. 또한 이때 정밀도(분산계수)도 4% 이내로 재현성이 높은 측정 방법이라고 할 수 있다. 탄산수와 같이 $CO_2$가 탈기(脫氣: degassing)되는 경우 각 측정 방법의 정도관리를 위하여 24시간, 48시간 동안 $CO_2$를 탈기시킨 후 각 측정 방법을 적용하였다. 그 결과 산중화 적정법과 NDIR-TC 방법으로 측정된 알칼리도는 $CO_2$의 탈기에 상관없이 일정한 값을 유지하고 있었다. 이는 알칼리도의 보존성에 기인한 결과로 해석된다. 반면, 역적정법과 침전법으로부터 구한 알칼리도는 증가하는 것으로 나타났다. 한편 총 탄소 함량은 꾸준히 감소하여 48시간후에는 최대 약 50%의 $CO_2$가 탈기된 것으로 평가되었다. 역적정법과 침전법으로부터 구한 알칼리도가 높아진 이유는 총 탄소 함량이 다른 방법에 비하여 높게 측정되었고, $CO_2$ 탈기를 모델링 한 결과, 측정된 총 탄소 함량에 평형인 pH보다 측정된 pH가 높기 때문이다. 이는 ACW에 잔류한 $CO_2$ 기포의 영향으로 생각된다. $CO_2$ 탈기에 의해 발생한 $CO_2$ 기포는 pH를 낮추지 못하고 알칼리도에 영향을 주지는 않기 때문에 산중화 적정법과 NDIR-TC 측정에서는 분석되지 않지만 역적정과 침전법을 적용하여 총 탄소를 분석할 경우에는 측정값에 포함된다. 따라서 탄산수에서 알칼리도 및 총 탄소의 측정과 해석을 정확하게 하기 위해서는 역적정법이나 침전법을 이용하여 측정한 결과를 비교 검토하는 것이 필요하다. 이 연구의 결과는 탄산수 연구나 $CO_2$ 지중저장에 관련된 연구에 활용될 수 있다. 특히 $CO_2$ 지중저장 연구에 응용될 경우 탈기되지 않는 $CO_2$ 기포의 함량을 반영할 수 있기 때문에 심부 지중의 pH를 보정하거나 $CO_2$의 지중 거동과 $CO_2$ 저장 용량 평가에 응용될 것으로 기대된다. 이 연구를 기반으로 고온 고압 환경에서 직접 총 탄소를 정확하고 편리하게 측정하기 위한 방법을 개발할 예정이다.

Keywords

References

  1. 고용권, 김천수, 최현수, 박맹언, 배대석, 2000, 강원도지역 탄산 약수의 지화학적 연구, 지하수환경학회지, 7(2), 73-88
  2. 김건영, 고용권, 배대석, 김천수, 박맹언, 2001, 경상지역 신촌 탄 산약수의 지화학적 및 동위원소 특성, 자원환경지질학회지, 34(1), 71-88
  3. 김규한, 윤정아, 2000, 남한 탄산수의 지구 화학적 특성과 안정동위원소 조성, 지하수환경학회지, 7(3) 116-124
  4. 김중휘, 김준모, 2008, 지질 구조 특성과 주입 위치에 따른 이산화탄소 지중 저장의 열-수리-역학적 안정성 평가 수치 모델링, 'UN이 정한 지구의 해' 선포식 및 지구과학 한마당 축제 학술발표논문 초록집, p. 168
  5. 한상태, 강현철, 허명회, 2004, SPSS를 이용한 실험설계와 분산 분석, 도서출판 한나레, 서울, p. 221
  6. 이원우, 1992, 경영사회과학분야를 위한 분산분석, 자유아카데미, 서울, p. 156
  7. 정찬호, 김종근, 이재영, 2001, 충청지역 탄산수의 산출양상, 지화학적 특성 및 생성기원, 자원환경지질학회, 34(2), 227-241
  8. 채기탁, 윤성택, 최병영, 김강주, Shevalier, M., 2005, 이산화탄소 저감을 위한 지중처분기술의 지구화학적 개념과 연구개발 동향, 자원환경지질학회, 38(1), 1-22
  9. 최병영, 채기탁, 김경호, 고용권, 윤성택, 2009, 이산화탄소의 지중처분에 관한 반응성 용질 이동 모델링 적용, 지질학회지, 45(1), 55-67
  10. Baines, S.J. and Worden, R.H., 2004, The long-term fate of $\text CO_2$ in the subsurface: natural analogues for $\text CO_2$ storage, In: Baines and Worden (ed.), Geological storage of carbon dioxide, Geological society, Special publications, 233, London, p. 59-85
  11. Bruger, J., Long, N., McPhail, D.C., and Plimer, I., 2005, An active amagmatic hydrothermal system: The Paralana hot springs, Northern Flinders Ranges, South Australia, Chemical Geology, 222, 35-64 https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2005.06.007
  12. Chiodini, G., Frondini, F., Kerrick, D.M., Rogie, J., Parello, F., Peruzzi, L., and Zanzari, A.R., 1999, Quantification of deep $\text CO_2$ fluxes from central Italy. Examples of carbon balance froregional aquifers and of soil diffuse degassing, Chemical Geology, 159, 205-222 https://doi.org/10.1016/S0009-2541(99)00030-3
  13. Choi, H.S., Koh, Y.K., Bae, D.S., Park, S.S., Hutcheon, I., and Yun, S.T., 2005, Estimation of deep-reservoir temperature of $\text CO_2$-rich springs in Kangwon district, South Korea, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 141, 77-89 https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2004.10.001
  14. Choi, H.S., Yun, S.T., Koh, Y.K., Mayer, B., Park, S.S., and Hutcheon, I., 2009, Geochemical behavior of rare earth elements during the evolution of $\text CO_2$-rich groundwater: A study from the Kangwon district, South Korea, Chemical Geology (in press)
  15. Drever, J.I., 1997, The geochemistry of natural waters: surface and groundwater environment, Prentice-Hall Inc. Upper Saddle River, NJ, p. 436
  16. Emberley, S., Hutcheon, I., Shevalier, M., Durocher, D., Mayer, B., Gunter, W.D., and Perkins, E.H., 2005, Monitoring of fluidrock interaction and $\text CO_2$ storage through produced fluid sampling at the Weyburn $\text CO_2$-injection enhanced oil recovery site, Saskatchewan, Canada, Applied Geochemistry, 20, 1131-1157 https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2005.02.007
  17. Evans, J.P., Heath, J., Shipton, Z.K., Kolesar, P.T., Dockrill, B,.Williams, A., Kirchner, D., Lachmar, T.E., and Nelson, S.T., 2004, Natural leaking $\text CO_2$-charged systems as analogs for geologic sequestration sites, Proceedings of third annual conference on carbon capture and sequestration, May 3-6, 2004, Hilton Alexandria Mark Center, Alexandria, VA
  18. Faure, G., 1998, Principles and applications of geochemistry: A comprehensive textbook for geology students, 2nd eds., Printice Hall, Upper Saddle River, NJ., p. 600
  19. Fresenius, W., Quentin, K.E., and Schneider, W., 1988, Water analysis: A practical guide to physico-chemical, chemical and microbiological water examination and quality assurace, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, Germany, p. 804
  20. Gaus, I., Azaroual., M., and Czernichowski-Lauriol., I., 2005, Reactive transport modelling of the impact of $\text CO_2$ injection on the clayey cap rock at Sleipner (North Sea), Chemical Geology, 217(3-4), 319-337 https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2004.12.016
  21. IEA (International Energy Agency), 2008, $\text CO_2$ capture and storage: A key carbon abatement option, OECD publishing, p. 261
  22. IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), 2005, Carbon dioxide capture and storage, Cambridge University Press, New York, p. 442
  23. Koh, Y.K., Choi, B.Y., Yun, S.T., Choi, H.S., Mayer, B., and Ryoo, S.W., 2008, Origin and evolution of two contrasting thermal groundwaters ($\text CO_2$-rich and alkaline) in the Jungwon area, South Korea: Hydrochemical and isotope evidence, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 178, 777-786 https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2008.09.008
  24. Mito, S., Xue, Z., and Ohsumi, T., 2008, Case study of geochemical reactions at the Nagaoka $\text CO_2$ injection site, International journal of greenhouse gas control, 2, 309-318 https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2008.04.007
  25. NETL (National Energy Technology Laboratory), 2005, Carbon sequestration: $\text CO_2$ storage, http://www.netl.doe.gov/technologies/carbon_seq/core_rd/storage .html
  26. Parkhurst, D.L., and Appelo, C.A.J., 1999, User's guide to batchreaction, one-dimensional transport, and inverse geochemical calculations, U.S. Geological Survey Water-Resources Investigation Reports 99-4259, 312 p
  27. Pauwels, H., Gaus, I., le Nindre, Y.M., Pearce, J., and Czernichowski-Lauriol., I., 2007, Chemistry of fluids from a natural analogue for a geological $\text CO_2$ storage site(Montmiral, France): Lesson for $\text CO_2$-water-rock interaction assessment and monitoring, Applied Geochemistry, 22, 2817-2833 https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2007.06.020
  28. Pearce, J.M., 2006, What can we learn from natural analogues?: An overview of how analogues can benefit the geological storage of $\text CO_2$, In: Lombardie et al. (ed), Advances in the geological storage of carbon dioxide, Springer, Netherlands, 129-139
  29. Pruess, K., 2008, On $\text CO_2$ fluid flow and heat transfer behavior in the subsurface, following leakage from a geologic storage reservoir, Environmental Geology, 54, 1677-1686 https://doi.org/10.1007/s00254-007-0945-x
  30. Rose, T.P. and Davisson, M.L., 1996, Radiocarbon in hydrologic systems containing dissolved magmatic carbon dioxide, Science, 273(6), 1367-1370 https://doi.org/10.1126/science.273.5280.1367
  31. UNFCCC(United Nations Framework Convention on Climate Change), 2007, The United Nation climate change conference in Bali, http://unfccc.int/meetings/cop_13/items/4049.php
  32. Xu, T., Apps, J.A., and Pruess, K., 2005, Mineral sequestration of carbon dioxide in a sandstone-shale system, Chemical Geology, 217(3-4), 295-318 https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2004.12.015