This study is to identify the mineralogical properties of caprock samples from drilling cores of the Pohang basin, which is the research area for the demonstration-scale CO2 storage project in Korea. The interaction of water-rock-gas that can occur due to CO2 injection was identified using geochemical modeling. Results of mineralogical studies, together with petrographic data of caprock and data on the physicochemical parameters of pore water were used for geochemical modeling. Modelling was carried out using the The Geochemist's Workbench 14.0.1 geochemical simulator. Two steps of modeling enabled prediction of immediate changes in the caprocks impacted by the first stage of CO2 injection and the assessment of long-term effects of sequestration. Results of minerlaogical analysis showed that the caprock samples are mainly composed of quartz, K-feldspar, plagioclase and a small amount of pyrite, calcite, kaolinite and montmollonite. After the injection of carbon dioxide, the porosity of the caprock increased due to the dissolution of calcite, and dawsonite and chalcedony were precipitated as a result of the dissolution of albite and k-feldspar. In the second step after the injection was completed, the precipitation of dawsonite and chalcedony occurred as a result of dissolution of calcite and albite, and the pH was increased due to this reaction. Results of these studies are expected to be used as data to quantitatively evaluate the efficiency of mineral trapping capture in long-term storage of carbon dioxide.
Kim, Seyoon;Kim, Jungtaek;Lee, Minhee;Wang, Sookyun
Economic and Environmental Geology
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v.49
no.6
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pp.469-477
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2016
To evaluate the $CO_2$ storage capacity for the reservoir rock, the laboratory scale technique to measure the amount of $scCO_2$, replacing pore water of the reservior rock after the $CO_2$ injection was developed in this study. Laboratory experiments were performed to measure the $scCO_2$ displacement efficiency of the conglomerate and the sandstone in Janggi basin, which are classified as available $CO_2$ storage rocks in Korea. The high pressurized stainless steel cell containing two different walls was designed and undisturbed rock cores acquired from the deep drilling site around Janggi basin were used for the experiments. From the lab experiments, the average $scCO_2$ displacement efficiency of the conglomerate and the sandstone in Janggi basin was measured at 31.2% and 14.4%, respectively, which can be used to evaluate the feasibility of the Janggi basin as a $scCO_2$ storage site in Korea. Assuming that the effective radius of the $CO_2$ storage formations is 250 m and the average thickness of the conglomerate and the sandstone formation under 800 m in depth is 50 m each (from data of the drilling profile and the geophysical survey), the $scCO_2$ storage capacity of the reservoir rocks around the probable $scCO_2$ injection site in Janggi basin was calculated at 264,592 metric ton, demonstrating that the conglomerate and the sandstone formations in Janggi basin have a great potential for use as a pilot scale test site for the $CO_2$ storage in Korea.
Laboratory experiments for the reaction with supercritical $CO_2$ under the $CO_2$ sequestration condition were performed to investigate the mineralogical and geochemical weathering process of the sandstones and mudstones in the Pohang basin. To simulate the supercritical $CO_2$-rock-groundwater reaction, rock samples used in the experiment were pulverized and the high pressurized cell (200 ml of capacity) was filled with 100 ml of groundwater and 30 g of powdered rock samples. The void space of the high pressurized cell was saturated with the supercritical $CO_2$ and maintained at 100 bar and $50^{\circ}C$ for 60 days. The changes of mineralogical and geochemical properties of rocks were measured by using XRD (X-Ray Diffractometer) and BET (Brunauer-Emmett-Teller). Concentrations of dissolved cations in groundwater were also measured for 60 days of the supercritical $CO_2$-rock-groundwater reaction. Results of XRD analyses indicated that the proportion of plagioclase and K-feldspar in the sandstone decreased and the proportion of illite, pyrite and smectite increased during the reaction. In the case of mudstone, the proportion of illite and kaolinite and cabonate-fluorapatite increased during the reaction. Concentration of $Ca^{2+}$ and $Na^+$ dissolved in groundwater increased during the reaction, suggesting that calcite and feldspars of the sandstone and mudstone would be significantly dissolved when it contacts with supercritical $CO_2$ and groundwater at $CO_2$ sequestration sites in Pohang basin. The average specific surface area of sandstone and mudstone using BET analysis increased from $27.3m^2/g$ and $19.6m^2/g$ to $28.6m^2/g$ and $26.6m^2/g$, respectively, and the average size of micro scale void spaces for the sandstone and mudstone decreased over 60 days reaction, resulting in the increase of micro pore spaces of rocks by the dissolution. Results suggested that the injection of supercritical $CO_2$ in Pohang basin would affect the physical property change of rocks and also $CO_2$ storage capacity in Pohang basin.
The laboratory scale experiment was performed to evaluate the sealing capacity of the capping rock such as tuff and mudstone, measuring the intial supercritical $CO_2$ ($scCO_2$) injection pressure and the $scCO_2$-water-rock reaction for 90 days. The drilling cores sampled from 800 m in depth around the Janggi basin, Korea were used for the experiment. The mineralogical changes of mudstone and tuff were measured to evaluate the geochemical stability during the $scCO_2$-water-rock reaction at $CO_2$ storage condition (100 bar and $50^{\circ}C$). The rock core was fixed in the high pressurized stainless steel cell and was saturated with distilled water at 100 bar of pore water pressure. The effluent of the cell was connected to the large tank filled with 3 L of water and 2 L of $scCO_2$ at 100 bar, simulating the subsurface injection condition. The $scCO_2$ injection pressure, which was higher than 100 bar, was controlled at the influent port of the cell until the $scCO_2$ begin to penetrate into the rock and the initial injection pressure (> 100 bar) of $scCO_2$ into the rock was measured for each rock. The mineralogical compositions of mudstones after 90 days reaction were similar to those before the reaction, suggesting that the mudstone in the Janggi basin has remained relatively stable for the $scCO_2$ involved geochemical reaction. The initial $scCO_2$ injection pressure (${\Delta}P$) of a tuff in the Janggi basin was 15 bar and the continuous $scCO_2$ injection into the tuff core occurred at higher than 20 bar of injection pressure. For the mudstone in the Janggi basin, the initial $scCO_2$ injection pressure was higher than 150 bar (10 times higher than that of the tuff). From the results, the mudstone in Janggi basin was more suitable than the tuff to shield the $scCO_2$ leakage from the reservoir rock at subsurface.
Arcella, V.;Colaianna, P.;Brinati, G.;Gordano, A.;Clarizia, G.;Tocci, E.;Drioli, E.
Proceedings of the Membrane Society of Korea Conference
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1999.07a
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pp.39-42
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1999
Perfluoropolymers represent the ultimate resistance to hostile chemical environments and high service temperature, attributed to the presence of fluorine in the polymer backbone, i.e. to the high bond energy of C-F and C-C bonds of fluorocarbons. Copolymers of Tetrafluoroethylene (TEE) and 2, 2, 4Trifluoro-5Trifluorometoxy- 1, 3Dioxole (TTD), commercially known as HYFLON AD, are amorphous perfluoropolymers with glass transition temperature (Tg)higher than room temperature, showing a thermal decomposition temperature exceeding 40$0^{\circ}C$. These polymer systems are highly soluble in fluorinated solvents, with low solution viscosities. This property allows the preparation of self-supported and composite membranes with desired membrane thickness. Symmetric and asymmetric perfluoropolymer membranes, made with HYFLON AD, have been prepared and evaluated. Porous and not porous symmetric membranes have been obtained by solvent evaporation with various processing conditions. Asymmetric membranes have been prepared by th wet phase inversion method. Measure of contact angle to distilled water have been carried out. Figure 1 compares experimental results with those of other commercial membranes. Contact angles of about 120$^{\circ}$for our amorphous perfluoropolymer membranes demonstrate that they posses a high hydrophobic character. Measure of contact angles to hexandecane have been also carried out to evaluate the organophobic character. Rsults are reported in Figure 2. The observed strong organophobicity leads to excellent fouling resistance and inertness. Porous membranes with pore size between 30 and 80 nanometers have shown no permeation to water at pressures as high as 10 bars. However high permeation to gases, such as O2, N2 and CO2, and no selectivities were observed. Considering the porous structure of the membrane, this behavior was expected. In consideration of the above properties, possible useful uses in th field of gas- liquid separations are envisaged for these membranes. A particularly promising application is in the field of membrane contactors, equipments in which membranes are used to improve mass transfer coefficients in respect to traditional extraction and absorption processes. Gas permeation properties have been evaluated for asymmetric membranes and composite symmetric ones. Experimental permselectivity values, obtained at different pressure differences, to various single gases are reported in Tab. 1, 2 and 3. Experimental data have been compared with literature data obtained with membranes made with different amorphous perfluoropolymer systems, such as copolymers of Perfluoro2, 2dimethyl dioxole (PDD) and Tetrafluorethylene, commercialized by the Du Pont Company with the trade name of Teflon AF. An interesting linear relationship between permeability and the glass transition temperature of the polymer constituting the membrane has been observed. Results are descussed in terms of polymer chain structure, which affects the presence of voids at molecular scale and their size distribution. Molecular Dyanmics studies are in progress in order to support the understanding of these results. A modified Theodoru- Suter method provided by the Amorphous Cell module of InsightII/Discover was used to determine the chain packing. A completely amorphous polymer box of about 3.5 nm was considered. Last but not least the use of amorphous perfluoropolymer membranes appears to be ideal when separation processes have to be performed in hostile environments, i.e. high temperatures and aggressive non-aqueous media, such as chemicals and solvents. In these cases Hyflon AD membranes can exploit the outstanding resistance of perfluoropolymers.
Induced polarization (IP) effect is known to be caused by electrochemical phenomena at interface between minerals and pore water. Spectral induced polarization (SIP) method is an electrical survey to localize subsurface IP anomalies while injecting alternating currents of multiple frequencies into the ground. This method was effectively applied to mineral exploration of various ore deposits. Titanomagnetite ores were being produced by a mining company located in Gonamsan area, Gwanin-myeon, Pocheon-si, Gyeonggi-do, South Korea. Because the ores contain more than 0.4 w% vanadium, the ore deposit is called as Gwanin vanadiferous titanomagnetite (VTM) deposit. The vanadium is the most important of materials in production of vanadium redox flow batteries, which can be appropriately used for large-scale energy storage system. Systematic mineral exploration was conducted to identify presence of hidden VTM orebodies and estimate their potential resources. In geophysical exploration, laboratory geophysical measurement of rock samples is helpful to generate reliable property models from field survey data. Therefore, we performed laboratory SIP data of the rocks from the Gwanin VTM deposit to understand SIP characteristics between ores and host rocks and then demonstrate the applicability of this method for the mineral exploration. Both phase and resistivity spectra of the ores sampled from underground outcrop and drilling cores were different of those of the host rocks consisting of monzodiorite and quartz monzodiorite. Because the phase and resistivity at frequencies below 100 Hz are mainly dependent on the SIP characteristics of the rocks, we calculated mean values of the ores and the host rocks. The average phase values at 0.1 Hz were ores: -369 mrad and host rocks: -39 mrad. The average resistivity values at 0.1 Hz were ores: 16 Ωm and host rocks: 2,623 Ωm. Because the SIP characteristics of the ores were different of those of the host rocks, we considered that the SIP survey is effective for the mineral exploration in vanadiferous titanomagnetite deposits and the SIP characteristics are useful for interpreting field survey data.
The deep geological repository for high-level radioactive waste disposal is a multi barrier system comprised of engineered barriers and a natural barrier. The long-term integrity of the deep geological repository is affected by the coupled interactions between the individual barrier components. Erosion and piping phenomena in the compacted bentonite buffer due to buffer-rock interactions results in the removal of bentonite particles via groundwater flow and can negatively impact the integrity and performance of the buffer. Rapid groundwater inflow at the early stages of disposal can lead to piping in the bentonite buffer due to the buildup of pore water pressure. The physiochemical processes between the bentonite buffer and groundwater lead to bentonite swelling and gelation, resulting in bentonite erosion from the buffer surface. Hence, the evaluation of erosion and piping occurrence and its effects on the integrity of the bentonite buffer is crucial in determining the long-term integrity of the deep geological repository. Previous studies on bentonite erosion and piping failed to consider the complex coupled thermo-hydro-mechanical-chemical behavior of bentonite-groundwater interactions and lacked a comprehensive model that can consider the complex phenomena observed from the experimental tests. In this technical note, previous studies on the mechanisms, lab-scale experiments and numerical modeling of bentonite buffer erosion and piping are introduced, and the future expected challenges in the investigation of bentonite buffer erosion and piping are summarized.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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