Νέες πληροφορίες σχετικά με τη διαταραχή του υδροφόρου ορίζοντα μετά από έγχυση CO2, όπως απεικονίζεται από το στοιχείο συμπεριφοράς σπανίων γαιών
Η συμπεριφορά του στοιχείου σπανίων γαιών (REE, λανθανίδες συν ύττριο) σε φυσικά περιβάλλοντα έχει μελετηθεί εκτενώς. Τα REE είναι πολύτιμα ως συστατικά τεχνολογιών ηλεκτρονικών και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η Ευρωπαϊκή Κοινότητα καταγράφει τους REE ως κρίσιμες πρώτες ύλες. Η κατανόηση της κινητικότητας, της συσσώρευσης και των μηχανισμών παγκόσμιου κύκλου των REE στο φυσικό περιβάλλον είναι σημαντική για την αξιολόγηση των αποθεμάτων τους για μελλοντικές χρήσεις και για την πρόβλεψη περιβαλλοντικών ζητημάτων που σχετίζονται με την εκμετάλλευση αυτών των μετάλλων.
Η εξαγωγή REE και τα σχετικά κρίσιμα στοιχεία με τη χρήση τεχνικών επιτόπιας έκπλυσης έχουν βελτιστοποιηθεί για τη βελτίωση των ρυθμών εξαγωγής τους. Τα διαλυμένα REE έχουν χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατο για την κατανόηση πολλών γεωδυναμικών διεργασιών, όπως η μαγματική τήξη και οι αλληλεπιδράσεις νερού-πετρώματος. Τα διαλυμένα REE έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων της ανθρώπινης δραστηριότητας, όπως η ανάλυση υδραυλικών ρευστών ρωγμών σχιστολιθικού αερίου. Τελικά, οι φυσικοχημικές ιδιότητες των REE επιτρέπουν τη χρήση τους ως ισχυρών υποδοχέων για τη μελέτη γεωχημικών αντιδράσεων σε χαμηλή και υψηλή θερμοκρασία.
Γεωλογική αποθήκευση CO2 , μέρος της τεχνολογίας Carbon and Capture and Storage (CCS), έχει θεωρηθεί ως πιθανή μέθοδος για τη μείωση της συσσώρευσης ατμοσφαιρικών αερίων του θερμοκηπίου. Η γεωλογική αποθήκευση συνίσταται στην έγχυση CO2 προηγουμένως συλλαμβάνονταν από βιομηχανικές διεργασίες σε βαθιά υπόγειους βραχώδεις σχηματισμούς. Ο στόχος είναι έτσι η μόνιμη απομάκρυνση του CO2 από την ατμόσφαιρα. Η αποτελεσματικότητα της αποθήκευσης εξαρτάται από τη χωρητικότητα και την ακεραιότητα των τοποθεσιών αποθήκευσης του ταμιευτήρα.
CO2 Η χωρητικότητα αποθήκευσης καθορίζεται από το πορώδες, τη διαπερατότητα της δεξαμενής και την ύπαρξη επαρκούς αδιαπέραστου φράγματος ή πέτρας καλύμματος ώστε να περιέχει το CO2 μόνιμα. Εντοπίστηκαν διάφοροι τύποι γεωλογικών σχηματισμών που παρουσιάζουν κατάλληλη χωρητικότητα για CCS. Μέχρι σήμερα, αυτοί οι ταμιευτήρες που έχουν εντοπιστεί είναι βαθύς αλατούχος υδροφορείς, σχηματισμοί κοίτη άνθρακα, ταμιευτήρες πετρελαίου και αερίου που εκμεταλλεύονται μέσω τεχνικών Ενισχυμένης Ανάκτησης Πετρελαίου με χρήση CO2 και, τέλος, εξαντλημένες δεξαμενές πετρελαίου και φυσικού αερίου. Μεταξύ αυτών των τοποθεσιών αποθήκευσης, οι βαθείς αλατούχοι υδροφόροι ορίζοντες προσδιορίστηκαν ότι έχουν τη μεγαλύτερη χωρητικότητα αποθήκευσης και παγκόσμια ανακατανομή. Μόλις γίνει η ένεση, μέρος του CO2 είναι φυσικά παγιδευμένο κάτω από το αδιαπέραστο πέτρωμα του καπακιού που λειτουργεί ως σφράγιση και το υπόλοιπο του CO2 διαλύεται στην υδατική φάση. Μέρος αυτού του διαλυμένου CO2 μπορεί να αντιδράσει με τα πετρώματα της δεξαμενής για να σχηματίσει ένα νέο ορυκτό (CO2 παγίδευση ορυκτών), ή μπορεί να παραμείνει διαλυμένο στην υδατική φάση (παγίδευση διαλύματος). Επομένως, η κατανόηση του CO2 ‐Οι διαδικασίες αλληλεπίδρασης νερού-βράχου είναι πρωταρχικής σημασίας για την επικύρωση της σκοπιμότητας και της αποτελεσματικότητας του CCS.
Για τη μελέτη αυτού του φαινομένου, πραγματοποιήθηκαν πολυάριθμα πειράματα σε εργαστηριακές συνθήκες σε συνδυασμό με γεωχημικά μοντέλα, τα οποία προσφέρουν καλή ακρίβεια στην περιγραφή της χημικής αντίδρασης αλλά είναι περιορισμένα σε χρόνο και κλίμακα. Η μελέτη του φυσικού CO2 Το πλούσιο σε υδροθερμικό νερό προσφέρει καλά ανάλογα για τη μελέτη του μακροχρόνιου CO2 ‐αλληλεπίδραση νερού-βράχου, αλλά φαίνεται περιορισμένη στην περιγραφή φαινομένων με καλή ακρίβεια. Πραγματοποιήθηκαν αρκετά πειράματα πεδίου ως δοκιμαστικό πιλότο για την προσέγγιση της κλίμακας της τοποθεσίας CCS και τον εντοπισμό τεχνικών και επιστημονικών κενών.
Αυτές οι διαφορετικές πειραματικές εργασίες έδειξαν ότι πολλά ζητήματα πρέπει να επιλυθούν. Αυτά τα ζητήματα περιλαμβάνουν τους περιβαλλοντικούς κινδύνους που συνδέονται με το CCS. Αρκετά πιλοτικά πειράματα, στο πεδίο και στο εργαστήριο, έχουν υποδείξει τους πιθανούς κινδύνους από την απελευθέρωση διαλυμένων ιχνοστοιχείων σε υπόγειους υδροφορείς γλυκού νερού. Η απελευθέρωση διαλυμένων μετάλλων μπορεί να προκληθεί από CO2 -εμπλουτισμένη άλμη που διαρρέει από μια αρχική δεξαμενή βαθιάς αποθήκευσης και κινείται προς την επιφάνεια.
Μεταξύ άλλων φαινομένων, η επανακινητοποίηση ιχνοστοιχείων σχετίζεται με επιτόπιες διαταραχές του pH και οξειδοαναγωγής που σχετίζονται με το CO2 ένεση ή διαρροή. Ειδικότερα, CO2 Η διαταραχή μπορεί να περιλαμβάνει οξίνιση του pH, ενισχύοντας τη διάλυση του πετρώματος της δεξαμενής, δημιουργώντας την απελευθέρωση ιχνοστοιχείων που μπορεί να υπάρχουν αρχικά στα ορυκτά του πετρώματος της δεξαμενής ή να απορροφηθούν σε ορυκτές επιφάνειες. Η κατανόηση της τύχης και των ιχνοστοιχείων μετάλλων σε υπόγεια γεωλογικά περιβάλλοντα είναι σημαντική. Αυτά τα ζητήματα είναι επίσης πολύτιμα για άλλες εφαρμογές γεωμηχανικής, όπως η διάθεση τοξικών αποβλήτων, η μακροχρόνια υπόγεια αποθήκευση ραδιενεργών αποβλήτων και οι έρευνες σε χώρους υγειονομικής ταφής απορριμμάτων.
Το CO2 Οι αλληλεπιδράσεις νερού-πετρώματος οδηγούνται από την κρυστάλλωση νεοσχηματιζόμενων ορυκτών στη διεπιφάνεια υγρού-πετρώματος. Στη συνέχεια, μέρος της σκοπιμότητας του CO2 Η αποθήκευση είναι μια διαδικασία που καθοδηγείται από την επιφάνεια και τα REE αντιπροσωπεύουν ένα πολλά υποσχόμενο γεωχημικό εργαλείο για την περιγραφή διεργασιών που συμβαίνουν στη διεπιφάνεια μεταξύ των εγχυόμενων ρευστών και του πετρώματος ξενιστή. Η συμπεριφορά REE στα υπόγεια ύδατα μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση των αντιδράσεων που συμβαίνουν στις διεπαφές νερού-βράχου.
Η συγκέντρωση των διαλυμένων REE στα υπόγεια ύδατα ελέγχεται από (i) την απελευθέρωση χημικών στοιχείων που εμπλέκονται στις διεργασίες καιρικών συνθηκών. (ii) pH και οξειδοαναγωγή των υπόγειων υδάτων. (iii) διεργασίες ρόφησης. (iv) πιθανή συμπλοκοποίηση προσδεμάτων όπως ανθρακικά στα υπόγεια ύδατα. και (v) φυσικοί υδρογεωλογικοί παράγοντες. Μελέτες συμπεριφοράς διαλυμένων REE εντός γεωθερμικών ρευστών και φυσικού CO2 -Οι πλούσιες πηγές νερού έχουν ήδη δώσει χρήσιμα αποτελέσματα. Μια κλασμάτωση του φάσματος REE συμβαίνει κατά τη διάρκεια του CO2 διεργασίες αλληλεπίδρασης νερού και πετρωμάτων και έχει εντοπιστεί μια ισχυρή σχέση μεταξύ του διαλυμένου REE και του pH του νερού.
Η χρήση του REE ως ανιχνευτών ανίχνευσης διαρροής άλμης υψηλής αλατότητας σε εφαρμογές CCS έχει μελετηθεί σε εργαστηριακές συνθήκες. Ωστόσο, επισημάνθηκαν αρκετά ζητήματα, όπως η υψηλή περιεκτικότητα σε αλατότητα των δειγμάτων, η οποία προκαλεί αναλυτικά προβλήματα για την ανάλυση ιχνοστοιχείων μετάλλων. Η υπογραφή REE στην συμπερίληψη ρευστών είναι επίσης μια βασική παράμετρος για την κατανόηση της συμπεριφοράς των βαθέων γεωλογικών ρευστών. Ειδικότερα, οι υπογραφές REE είναι καλοί δείκτες για την αξιολόγηση των φυσικοχημικών συνθηκών, της ανάμειξης ρευστών και των διεργασιών καθίζησης που λειτουργούν κατά τη γένεση πολύτιμων γεωλογικών πόρων,
Κατά τη διάρκεια της κρυστάλλωσης ορυκτών, τα REE συμπεριφέρονται όπως καθοδηγούνται από το ιοντικό τους φορτίο και την ακτίνα τους. Αντίθετα, κατά τις υδατικές διεργασίες, τα μεταλλικά ιόντα συμπεριφέρονται σύμφωνα με την εξωτερική ηλεκτρονική τους διαμόρφωση. Αντίστοιχα, η κύρια αλλαγή στα χαρακτηριστικά των κανονικοποιημένων συγκεντρώσεων REE και στην αναλογία Y/Ho μπορεί να αναγνωριστεί στη διεπιφάνεια στερεού-ρευστού κατά τις αλληλεπιδράσεις πετρώματος-ρευστού. Μεταξύ των φαινομένων που επηρεάζουν τη συμπεριφορά των διαλυμένων REE, ο ρόλος της δέσμευσης REE από φάσεις μεταλλικού οξειδίου και υδροξειδίου (δηλαδή οξυϋδροξείδια όπως οξυϋδροξείδια σιδήρου και μαγγανίου) φαίνεται να είναι ιδιαίτερα σημαντικός.
Η απομάκρυνση των REE σε οξείδια σιδήρου και μαγγανίου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το pH. Η σάρωση σε μια άμορφη φάση όπως ο φερριϋδρίτης (π.χ. Fe(OH)3 ) φαίνεται σημαντικό λόγω της μεγάλης δραστικής επιφάνειας. Η χρήση νανοσωματιδίων μηδενικού σιδήρου για ανάκτηση REE από όξινη αποστράγγιση ορυχείου υπό εργαστηριακές συνθήκες έδειξε την ικανότητά τους να απομακρύνουν REE από το διάλυμα. Η κλασμάτωση μεταξύ Light REE (LREE) και Heavy REE (HREE) συμβαίνει κατά τη διάρκεια της σάρωσης σε οξείδια μετάλλων. Αυτό οφείλεται κυρίως σε συμπλοκοποίηση διαλυμένων ειδών, ιδιαίτερα με ανθρακικά είδη. Πολλές μελέτες έχουν αξιολογήσει τη συμπλοκοποίηση REE με οργανικούς και ανόργανους συνδέτες. Η διαδικασία συμπλοκοποίησης των REE που εμφανίζεται σε ορυκτές επιφάνειες είναι το κλειδί για την κατανόηση της συμπεριφοράς των διαλυμένων προτύπων REE στο περιβάλλον.
Η κατανόηση της συμπεριφοράς των διαλυμένων REE είναι δύσκολη λόγω της εμπλοκής και της αλληλεξάρτησης των φαινομένων που περιγράφηκαν προηγουμένως. Ο στόχος αυτής της πειραματικής εργασίας είναι να μελετήσει τον πιθανό εμπλουτισμό διαλυμένων ιχνοστοιχείων στα υπόγεια ύδατα που διαταράσσονται από CO2 και την πιθανή εφαρμογή του στο CO2 αξιολόγηση του χώρου ασφάλειας γεωλογικής αποθήκευσης.
Μια προηγούμενη μελέτη επικεντρώθηκε σε κύρια χημικά στοιχεία και επανακινητοποίηση ιχνοστοιχείων (Rillard et al., 2014). Ένα δεύτερο σύνολο δειγμάτων, που συλλέχθηκε κατά τη διάρκεια του ίδιου πειράματος, χρησιμοποιείται για τη μελέτη της συμπεριφοράς των διαλυμένων REE. Ο στόχος αυτού του πειράματος είναι να ποσοτικοποιήσει την επίδραση του CO2 και διατάραξη του pH του υδροφορέα κατά την απελευθέρωση διαλυμένων REE. Αυτή η εργασία μπορεί να βελτιώσει την κατανόηση της τύχης και της μεταφοράς των διαλυμένων REE και των σχετικών ιχνοστοιχείων στο περιβάλλον για την αξιολόγηση της ασφάλειας του γεωλογικού CO2 αποθήκευση. Τα αποτελέσματα μπορεί επίσης να είναι χρήσιμα για άλλες εφαρμογές γεωμηχανικής, όπως η γεωλογική αποθήκευση ραδιενεργών αποβλήτων και η αποκατάσταση του ορυχείου.
