[논문]포항분지 덮개암에 대한 지화학적 반응 실험 및 모델링 연구

김선옥; 왕수균; 이민희

doi:10.9719/eeg.2016.49.5.371

포항분지 덮개암에 대한 지화학적 반응 실험 및 모델링 연구
Geochemical Reactive Experimental and Modeling Studies on Caprock in the Pohang Basin 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.49 no.5, 2016년, pp.371 - 380

김선옥 (부경대학교 에너지자원공학과) , 왕수균 (부경대학교 에너지자원공학과) , 이민희 (부경대학교 지구환경과학과)

초록
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이 연구는 이산화탄소 지중저장 후보지의 하나로 알려진 포항분지 덮개암의 광물학적 및 암석학적 특성을 파악하고, 실험과 지화학 모델링을 이용하여 이산화탄소 주입으로 인해 발생할 수 있는 덮개암의 지화학적 및 광물학적 영향을 규명하였다. 실험은 이산화탄소 지중저장 조건에 해당하는 $50^{\circ}C$와 100 bar의 고온고압조건에서 덮개암 6 g과 염수 60 ml를 고압셀에 넣어 15일 동안 반응시켰다. 반응 후 덮개암과 염수 시료의 지화학적 및 광물학적 변화를 확인하기 위해 XRD, XRF, ICP-OES 등의 분석을 통해 정량적으로 규명하였다. 또한 덮개암의 광물학적 연구 결과와 염수의 물리화학적 변수 자료들을 이용하여 지화학 모델링(The Geochemist's Workbench 11.0.4)을 수행하였다. 덮개암의 광물학적 분석 결과, 석영, 사장석, K-장석으로 주로 구성되어 있고, 소량의 운모, 황철석, 능철석, 방해석, 카올리나이트와 몬모릴로나이트로 이루어져 있었다. 덮개암과의 반응 후 염수의 이온 농도 분석 결과, 사장석, K-장석과 몬모릴로나이트 또는 운모와 같이 Mg를 포함하는 광물의 용해 반응에 의하여 $Ca^{2+}$, $Na^+$, $K^+$, $Mg^{2+}$ 이온들의 농도가 증가하였다. 100 년 동안 모델링한 결과, 사장석와 K-장석은 용해되고, 카올리나이트, 도소나이트, 베이덜라이트는 재결정화되어, 암석의 공극률 변화에는 큰 영향을 주지 않을 것으로 판단되었다. 실험 및 모델링 결과는 이산화탄소를 지중저장하는 동안 덮개암과 초임계 이산화탄소와의 상호반응에 의해 염수의 pH, 광물의 용해도과 안정성 등에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to identify the mineraloical and petrographical characteristics of caprock from drilling cores of Pohang basin as a potential $CO_2$ storage site. Experiments and modeling were conducted in order to investigate the geochemical and mineralogical caprock effects of carbon dioxide. A series of autoclave experiments were conducted to simulate the interaction in the $scCO_2$-caprock-brine using a high pressure and temperature cell at $50^{\circ}C$ and 100 bar. Geochemical and mineralogical alterations after 15 days of $scCO_2$-caprock-brine sample reactions were quantitatively examined by XRD, XRF, ICP-OES investigation. Results of mineralogical studies, together with petrographic data of caprock and data on the physicochemical parameters of brine were used for geochemical modeling. Modelling was carried out using the The Geochemist's Workbench 11.0.4 geochemical simulator. Results from XRD analysis for caprock sample showed that major compositional minerals are quartz, plagioclase, and K-feldspar, and muscovite, pyrite, siderite, calcite, kaolinite and montnorillonite were included on a small scale. Results from ICP-OES analysis for brine showed that concentration of $Ca^{2+}$, $Na^+$, $K^+$ and $Mg^{2+}$ increased due to dissolution of plagioclase, K-feldspar and muscovite. Results of modeling for the period of 100 years showed that the recrystallization of kaolinite, dawsonite and beidellite, at the expense of plagioclase and K-feldspar is characteristic. Volumes of newly precipitation minerals and minerals passing into brine were balanced, so the porosity remained nearly unchanged. Experimental and modeling results indicate the interaction between caprock and $scCO_2$ during geologic carbon sequestration can exert significant impacts in brine pH and solubility/stability of minerals.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구는 국내 이산화탄소 지중저장 후보지의 하나로 알려진 포항분지 덮개암의 광물학적 및 암석학적 특성을 파악하고, 실험과 지화학 모델링을 이용하여 이산화탄소 주입으로 인해 발생할 수 있는 덮개암의 지화학적 및 광물학적 영향을 규명하기 위해 수행되었다. 이를 위하여 포항분지 덮개암 시료를 대상으로 이산화탄소 지중저장 조건에 해당하는 50^oC와 100 bar에서 15일동안 고온고압실험을 수행하고, 반응 전후의 덮개암 시료와 염수 시료에 대한 XRD, XRF, ICP-OES 분석을 실시하여 반응에 따른 지화학적 및 광물학적 변화를 정량적으로 파악하였다.
이 연구에서는 국내 이산화탄소 지중저장 후보지의 하나로 알려진 포항분지 덮개암의 광물학적 및 암석학적 특성을 파악하고, 실험을 통해 이산화탄소 지중저장시 단기간에 발생할 수 있는 이산화탄소-덮개암-염수 반응에 의한 덮개암의 지화학적 풍화를 규명하고, 이러한 실험결과들을 이용하여 이산화탄소가 퇴적분지로 주입되어 염수에 완전히 용해된 이후에도 오랜시간 동안 산성환경에서 발생할 수 있는 덮개암과의 상호작용에 대한 영향을 파악하기 위해 지화학 모델링을 수행하였다. 이 연구의 결과는 수십 또는 수백년 이후의 지중저장 환경에서 이산화탄소와 덮개암에서 예측되는 반응거동을 이해하는데 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.

가설 설정

지중 주입된 이산화탄소가 덮개암과 대수층에서 발생할 수 있는 지구화학적 변화를 예측하기 위하여 장기간반응(100년)으로 실시하였다. 모델링 결과, 용해되거나 침전될 수 있는 2차 광물들의 반응에 대해서는 Table 3에 나타낸 바와 같고, 이러한 이차 광물의 침전 반응은 수용액에서의 평형과 포화상태에 의해서 제어되는 것으로 가정하였다.

제안 방법

2. SEM image analyses of caprocks used in the experiments. It has massive disordered structure with a loose grained skeleton and pellite texture.
XRD 분석은 Cu-Kα 타겟과 Ni-필터를 사용하여, 전압 40 kV, 전류 30 mA, 측정범위 5 ~ 40°, 주사속도 4°/min의 조건으로 분석하였다.
고온고압 조건에서 덮개암 시료의 용해에 의하여 염수로 용출된 양이온의 농도 변화를 정성적 및 정량적으로 규명하기 위하여 염수 내 용존하는 양이온에 대한 ICP-OES 분석을 수행하였다. 양이온 농도 측정 결과에 따르면 He 또는 scCO₂와 반응한 모든 염수 시료에서는 반응 이후 Na를 비롯하여 Ca, Mg, K의 농도가 증가한 것으로 나타났다(Table 6).
고압셀 내부에 입도별 구성 함량비에 따라 혼합한 덮개암 시료 6g과 염수 60 ml를 넣고 밀폐한 후, 역압력조절기(BPR-6000, Hiflux)와 고압펌프(SFT-10, Supercritical Fluid Technologies)를 이용하여 액체상 이산화탄소를 주입하고 고압셀 내부의 압력을 100 bar로 유지하였다. 또한 발열 자켓(Iwoo Scientific Corp.)을 이용하여 고압셀 내부의 온도를 50^oC로 유지하여 주입된 이산화탄소가 초임계상으로 변화할 수 있는 조건을 형성하였다. 이후 고압셀을 고압 펌프로부터 분리하고 내부 온도가 50^oC로 고정된 오븐에서 최대 360시간(15일) 보관하였으며, 각 시료들은 0시간, 6시간, 12시간, 24시간(1일), 72시간(3일), 120시간(5일), 240시간(10일), 360시간(15일)의 반응이 끝난 후에 원심분리기를 이용하여 덮개암 시료와 염수 시료를 분리하였다.
또한 실험의 의한 덮개암의 광물학적 연구 결과와 염수의 물리화학적 변수 자료들을 이용하여 지화학 모델링(The Geochemist’s Workbench 11.0.4)을 수행하였다.
모델링은 The Geochemist’s Workbench 11.0.4를 이용하였으며, 사용된 온도와 압력의 변수는 이산화탄소 지중저장시 이산화탄소가 초임계상으로 존재할 수 있는 최소 심도 800 m 이하의 심부에서 이루어짐을 고려하여, 각각 50oC 와 100 bar로 설정하였다.
그 결과 Table 2에서와 같이 48%의 모래, 30%의 실트와 22%의 점토로 구성된 엽층이 없는 암석으로 Lundegard and Samuels(1980)의 분류를 이용하면, 이암(mudstone)으로 분류된다(Boggs, 2009). 반응 실험에서는 입도 분포에 따른 함량을 고려하여 시료를 혼합한 후 사용하였다. 실험에 사용된 1 M 농도의 염수는 탈이온수 1L에 순도 99.
)-염수-덮개암 반응 실험을 수행하였고, 이산화탄소의 영향을 비교하기 위하여 대조군으로 헬륨(He)을 이용하였다. 반응 실험의 온도와 압력 조건은 이산화탄소가 초임계상으로 존재할 수 있는 임계온도(31.1^oC)와 임계압력(7.38 MPa) 이상의 50^oC와 100 bar(10.0 MPa)로 각각 설정하였다. 심부 지층 내에서의 온도 및 압력 조건을 실험실에서 재현하기 위하여 스테인리스강으로 제작된 100 ml 용량의 고압셀을 이용하였으며, 고압셀의 내부는 테프론으로 코팅하여 사용하였다.
반응 전 상온·상압 조건에서 pH 5.98의 염수 시료는 고온·고압 조건에서 scCO2 또는 He과 함께 24시간 동안 정치한 후 pH가 각각 3.73과 6.02으로 측정되었으며, 이를 반응 실험의 초기 pH로 설정하였다.
채취한 암석 시료는 물과 접촉하면 쉽게 부서지는 반고결 상태로서, 회색의 세립 기질(점토광물 및 유기물)을 다량 함유하고 있는 것으로 육안을 통해 관찰되었다. 반응실험에 사용될 시료는 비교적 균일한 비표면적과 입자 크기를 선별하기 위하여 덮개암을 구성하고 입자에 대한 입도 분석을 수행하였다. 입도 분석은 2단계로 이루어졌는데, 먼저 구성 광물 결정의 물리적인 파괴를 최소화하면서 구성 입자를 크기별로 분류할 수 있는 습식 체가름(wet sieving)을 통하여 조립질 입자를 분리하였으며, 200번체(지름 75 μm)를 통과한 세립질 입자(전체 시료의 46.
분리된 덮개암시료는 자연 건조 후 시료의 화학적 성분을 규명하기 위하여 X-선 형광분석(XRF; XRF-1700, Shimadzu)과 시료의 구성 광물을 확인하기 위하여 X-선 회절분석(XRD; X'Pert-MPD System, Philips)을 부경대학교 공동실험실습관에서 실시하였다.
실험의 의한 덮개암의 광물학적 연구 결과와 염수의 물리화학적 변수 자료(pH=5.98, Cl^-=35,450 mg/l, Na⁺=22,990 mg/l)들을 이용하여 지화학 모델링을 수행하였다. 모델링은 The Geochemist’s Workbench 11.
XRD 분석을 통해 획득된 결과자료를 XRD 분석프로그램(PANalytical X'Pert HighScore Plus, PANalytical)을 이용하여 정성분석 및 반전량분석을 수행하였다. 원심분리에 의하여 분리된 염수 시료는 pH 측정기(pH/Ion S220, Mettler Toledo)를 이용하여 반응 전후 염수의 pH를 측정하고, 부산대학교 공동실험 실습관의 ICP-OES(7000 Dv, PerkinElmer)를 이용하여 주요 양이온(K, Na, Ca, Mg, Al, Si 등)의 농도를 정량분석하였다. 또한 반응 전 덮개암의 조직과 형태를 관찰하기 위하여 부경대학교 공동실험실습관의 주사전자현미경(SEM; S-2700)을 사용하였다.
이 연구에서는 심도 800 m 이하의 심부 대염수층에 저장된 이산화탄소가 저장 대상 지층의 상부에 위치하는 덮개암과 접촉하여 발생하는 지화학적 및 광물학적 변화를 규명하기 위하여 초임계 이산화탄소(scCO₂)-염수-덮개암 반응 실험을 수행하였고, 이산화탄소의 영향을 비교하기 위하여 대조군으로 헬륨(He)을 이용하였다. 반응 실험의 온도와 압력 조건은 이산화탄소가 초임계상으로 존재할 수 있는 임계온도(31.
44 g을 용해 시켜 제조하여 사용하였다. 이는 지층의 심도가 증가함에 따라 공극수의 염농도가 높아지는 점을 고려하여, 심부지층 내 지하수를 모사하기 위한 비교적 높은 농도의 염수를 실험에 적용하였다(Eyre, 1987).
이 연구는 국내 이산화탄소 지중저장 후보지의 하나로 알려진 포항분지 덮개암의 광물학적 및 암석학적 특성을 파악하고, 실험과 지화학 모델링을 이용하여 이산화탄소 주입으로 인해 발생할 수 있는 덮개암의 지화학적 및 광물학적 영향을 규명하기 위해 수행되었다. 이를 위하여 포항분지 덮개암 시료를 대상으로 이산화탄소 지중저장 조건에 해당하는 50^oC와 100 bar에서 15일동안 고온고압실험을 수행하고, 반응 전후의 덮개암 시료와 염수 시료에 대한 XRD, XRF, ICP-OES 분석을 실시하여 반응에 따른 지화학적 및 광물학적 변화를 정량적으로 파악하였다. 또한 실험의 의한 덮개암의 광물학적 연구 결과와 염수의 물리화학적 변수 자료들을 이용하여 지화학 모델링(The Geochemist’s Workbench 11.
이후 고압셀을 고압 펌프로부터 분리하고 내부 온도가 50oC로 고정된 오븐에서 최대 360시간(15일) 보관하였으며, 각 시료들은 0시간, 6시간, 12시간, 24시간(1일), 72시간(3일), 120시간(5일), 240시간(10일), 360시간(15일)의 반응이 끝난 후에 원심분리기를 이용하여 덮개암 시료와 염수 시료를 분리하였다.
입도 분석은 2단계로 이루어졌는데, 먼저 구성 광물 결정의 물리적인 파괴를 최소화하면서 구성 입자를 크기별로 분류할 수 있는 습식 체가름(wet sieving)을 통하여 조립질 입자를 분리하였으며, 200번체(지름 75 μm)를 통과한 세립질 입자(전체 시료의 46.3%)는 stoke 법칙을 이용한 침강법을 통하여 분리하였다.
지중 저장된 이산화탄소의 용해로 인하여 형성된 산성 환경에서 심부 덮개암의 용해가 염수에 미치는 지 화학적 변화를 분석하기 위하여 반응 시간에 따른 염수의 pH 변화를 측정하였다. 온도와 압력이 이산화탄소 용해도에 미치는 영향에 대한 Duan and Sun(2003)의 연구 결과에 의하면 1 M의 NaCl 용액에서의 이산화탄소 용해도는 1 bar와 100 bar (20^oC)에서 각각 0.
4를 이용하였으며, 사용된 온도와 압력의 변수는 이산화탄소 지중저장시 이산화탄소가 초임계상으로 존재할 수 있는 최소 심도 800 m 이하의 심부에서 이루어짐을 고려하여, 각각 50^oC 와 100 bar로 설정하였다. 지중 주입된 이산화탄소가 덮개암과 대수층에서 발생할 수 있는 지구화학적 변화를 예측하기 위하여 장기간반응(100년)으로 실시하였다. 모델링 결과, 용해되거나 침전될 수 있는 2차 광물들의 반응에 대해서는 Table 3에 나타낸 바와 같고, 이러한 이차 광물의 침전 반응은 수용액에서의 평형과 포화상태에 의해서 제어되는 것으로 가정하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 1 M 농도의 염수는 탈이온수 1L에 순도 99.95%의 NaCl(CAS No. 7647-15-5) 58.44 g을 용해 시켜 제조하여 사용하였다.
연구지역은 경상북도 영일만 일대에 분포하는 포항분지로서, Fig. 1에서와 같이 백악기 경상누층군의 퇴적암을 기반으로 에오세 전기에서 중기의 화산암류와 마이오세 전기 말에서 중기의 두꺼운 해성층으로 구성되어 있다(Lee and Song, 1995; Yoon, 2010). 이 지역은 천북역암층을 기저로 하는 신생대 3기 퇴적분지로서, 공극률이 큰 사암층과 덮개암으로서 역할을 하는 이암층이 협재하는 형태의 트랩구조로 이루어져 있다.
연구지역의 덮개암은 이암으로 구성되어 있고 펠라이트 조직을 가진 괴상의 불규칙적인 구조를 보이는 것이 특징이다(Fig. 2). 반응 전 덮개암의 XRD 분석결과, 회절 패턴의 20.
이 연구에서 사용된 덮개암은 한국지질자원연구원이 이산화탄소 지중저장 후보지 탐색을 목적으로 경상북도 포항시 북구 여남동 소재 해안가에서 수행한 포항분지 장심도 시추조사에서 심도 416.64 ~ 417.03 m에 위치하는 연일층군으로부터 채취한 암석 시료이다. 채취한 암석 시료는 물과 접촉하면 쉽게 부서지는 반고결 상태로서, 회색의 세립 기질(점토광물 및 유기물)을 다량 함유하고 있는 것으로 육안을 통해 관찰되었다.
03 m에 위치하는 연일층군으로부터 채취한 암석 시료이다. 채취한 암석 시료는 물과 접촉하면 쉽게 부서지는 반고결 상태로서, 회색의 세립 기질(점토광물 및 유기물)을 다량 함유하고 있는 것으로 육안을 통해 관찰되었다. 반응실험에 사용될 시료는 비교적 균일한 비표면적과 입자 크기를 선별하기 위하여 덮개암을 구성하고 입자에 대한 입도 분석을 수행하였다.

데이터처리

XRD 분석을 통해 획득된 결과자료를 XRD 분석프로그램(PANalytical X'Pert HighScore Plus, PANalytical)을 이용하여 정성분석 및 반전량분석을 수행하였다.

이론/모형

원심분리에 의하여 분리된 염수 시료는 pH 측정기(pH/Ion S220, Mettler Toledo)를 이용하여 반응 전후 염수의 pH를 측정하고, 부산대학교 공동실험 실습관의 ICP-OES(7000 Dv, PerkinElmer)를 이용하여 주요 양이온(K, Na, Ca, Mg, Al, Si 등)의 농도를 정량분석하였다. 또한 반응 전 덮개암의 조직과 형태를 관찰하기 위하여 부경대학교 공동실험실습관의 주사전자현미경(SEM; S-2700)을 사용하였다.

성능/효과

6시간 동안 scCO2 또는 He을 주입하여 유지된 고온·고압조건에서 덮개암 시료와 반응한 염수의 pH는 각각 5.32와 7.02로 측정되었으며, 이후 반응 기간 동안 각 염수 시료의 pH는 비교적 일정하게 유지되었다(Fig. 4).
35 Å의 [011] 결정면에서 가장 높은 강도를 보였다. X-선 회절 패턴에 따르면 반응 전 덮개암과 동일한 K-장석, 사장석, 황철석, 능철석, 운모, 점토 광물 등이 포함되어 있는 것으로 확인되었으며, 반응 전 초기 덮개암 시료에서 나타나지 않았던 암염의 회절패턴은 고농도의 염수가 시료의 건조 과정에서 결정화된 것으로 판단된다(Table 4). 덮개암 시료의 구성 성분 분석을 위한 XRF분석은 15일 반응 실험 이후 시료에 대하여 실시하였고, 분석 결과는 Table 5에 나타낸 바와 같다.
XRD 분석프로그램(PANalytical X'Pert HighScore Plus)을 이용한 반정량분석 결과, 석영이 약 52.8%로 가장 많았고, K-장석이 26.7%, 사장석이 12.8%를 구성하고 있고, 소량의 점토광물(3.1%), 황철석(2.7%), 능철석(1.4%), 방해석(1.0%)와 운모(0.5%)들이다(Table 4).
XRD를 통해 측정된 덮개암의 X-선 회절패턴을 분석한 결과, He과 반응 실험을 수행한 덮개암 시료의 구성 광물 중 석영의 회절선은 20.87°, 26.61°, 36.49°에서 나타났고, scCO2와 반응 실험을 수행한 덮개암 시료의 석영 회절선은 20.89°, 26.61°, 36.51°에서 나타났으며, 두 시료 모두 층간거리 3.35 Å의 [011] 결정면에서 가장 높은 강도를 보였다.
양이온 농도 측정 결과에 따르면 He 또는 scCO₂와 반응한 모든 염수 시료에서는 반응 이후 Na를 비롯하여 Ca, Mg, K의 농도가 증가한 것으로 나타났다(Table 6). 덮개암과 scCO₂ 반응한 염수의 용존 이온 농도는 Na⁺, K⁺, Mg²⁺와 Ca²⁺는 반응 전 21,410 mg/L, 0 mg/L, 0 mg/L과 0 mg/L에서 반응 15일 후 23,814 mg/L, 85.9 mg/L, 100.6 mg/L과 536.0 mg/L로 각각 증가하였고, He과 반응 실험한 염수의 양이온농도는 반응 15일 후 23,135 mg/L, 60.7 mg/L, 91.2 mg/L과 481.5 mg/L로 각각 증가하였다. 덮개암의 용해 반응에 의하여 염수로 용출된 양이온 중 Na와 Ca는 주로 사장석(NaAlSi₃O₈과 CaAl₂Si₂O₈)으로 부터 용해된 것이며, K는 K-장석(KAlSi₃O₈)의 용해 반응에 의하여 증가한 것으로 판단된다.
이러한 이차광물의 침전은 덮개암의 전체적인 부피에 균형을 이루어 공극률에는 거의 영향을 주지 않을 것으로 판단된다. 또한 모델링 결과에 의하면, 이차광물인 도소나이트의 침전에 의해 지중 저장된 이산화탄소의 일부가 트랩된 것을 확인할 수 있다.
모델링 결과, 이산화탄소를 주입한 후 공극수는 pH 5.78에서 pH 3.98로 감소하다가 다시 pH 4.62로 평형을 이루었으며, 이는 pH가 5.78에서 pH 3.73로 감소하고 다시 증가하는 실험결과와도 일치한다(Fig. 4). 덮개암의 구성광물 중 K-장석(Ksd), Na-사장석(Ab), 일라이트(Ill)은 용해되고, 이 때 해리된 양이온과 음이온에 의해 이차광물로 깁사이트(Gbs), 도소나이트(Daw), 카올리나이트(Kao), Na-베이델라이트(Be-Na)가 주로 침전된다(Fig.
반응 실험 전후의 덮개암 구성성분의 변화를 파악하기 위해 수행된 XRF 분석 결과에 따르면, 주로 규산염광물로 구성되어 있는 덮개암 시료는 전체 구성 성분 중 SiO2의 비율이 약 64%로 가장 높았으며, 다음으로 Al2O3, Fe2O3, Na2O, K2O, MgO, CaO 등의 순으로 구성 비율이 높은 것으로 나타났다.
반응 전 덮개암의 XRD 분석결과, 회절 패턴의 20.87°, 26.60°, 36.49°지점에서 나타난 석영의 피크와 23.37°, 26.77°, 27.59°지점에서 나타난 K-장석의 피크, 22.10°, 27.96°, 28.02°지점에서 나타난 사장석의 피크가 높은 강도로 나타났으며, 이보다 낮은 강도의 황철석, 능철석, 방해석, 점토 광물의 피크가 확인되었다(Fig. 3).
이는 이차광물이 생성되기에 온도, 압력, 반응시간 등 실험조건이 충분하지 않았을 것으로 생각된다. 반응 후 염수 내 Ca²⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺ 이온들의 농도는 사장석, K-장석과 몬모릴로나이트 또는 운모와 같이 Mg를 포함하는 광물의 용해 반응에 의해 증가하였다. 100 년 동안 모델링한 결과, 사장석과 K-장석은 분해되고, 카올리나이트가 침전되고, 이차광물인 도소나이트와 베이덜라이트가 생성되었다.
고온고압 조건에서 덮개암 시료의 용해에 의하여 염수로 용출된 양이온의 농도 변화를 정성적 및 정량적으로 규명하기 위하여 염수 내 용존하는 양이온에 대한 ICP-OES 분석을 수행하였다. 양이온 농도 측정 결과에 따르면 He 또는 scCO₂와 반응한 모든 염수 시료에서는 반응 이후 Na를 비롯하여 Ca, Mg, K의 농도가 증가한 것으로 나타났다(Table 6). 덮개암과 scCO₂ 반응한 염수의 용존 이온 농도는 Na⁺, K⁺, Mg²⁺와 Ca²⁺는 반응 전 21,410 mg/L, 0 mg/L, 0 mg/L과 0 mg/L에서 반응 15일 후 23,814 mg/L, 85.
4)을 수행하였다. 연구 결과, 덮개암은 펠라이트 조직을 가진 괴상의 불규칙적인 구조를 보이는 이암으로 석영, 사장석, K-장석으로 주로 구성되어 있고, 소량의 운모, 황철석, 능철석, 방해석, 카올리나이트와 몬모릴로나이트로 이루어져 있었다. 이는 노르웨이, 미국, 독일 등의 이산화탄소 지중저장지의 덮개암을 구성하는 점토광물의 함량은 52-78%로 높은 반면에, 포항분지 덮개암의 점토광물 함량은 3.
덮개암을 구성하는 광물의 용해와 재결정에 의해 암석의 공극률에는 이산화탄소 주입으로 인해 큰 변화가 없을 것으로 판단된다. 이러한 연구 결과는 이산화탄소를 지중저장하는 동안 덮개암과 scCO₂와의 상호반응에 의해 염수의 pH, 광물의 용해도과 안정성 등에 영향을 미칠 수 있음을 보여주었다.
반응 실험 전후의 덮개암 구성성분의 변화를 파악하기 위해 수행된 XRF 분석 결과에 따르면, 주로 규산염광물로 구성되어 있는 덮개암 시료는 전체 구성 성분 중 SiO₂의 비율이 약 64%로 가장 높았으며, 다음으로 Al₂O₃, Fe₂O₃, Na₂O, K₂O, MgO, CaO 등의 순으로 구성 비율이 높은 것으로 나타났다. 초임계 이산화탄소-염수-덮개암의 반응에서 덮개암의 SiO₂와 Na₂O 비율은 각각 63.97%, 2.16%에서 64.01%와 2.56%로 증가하였고, Fe₂O₃, K₂O, MgO, CaO 비율은 5.04%, 1.93%, 1.68%, 1.40%에서 4.96%, 1.73%, 1.51%, 1.37%로 감소하였다. 반응 후 덮개암의 Na₂O 비율이 증가한 것은 고농도의 염수가 시료 건조 과정에서 암염이 형성화된 것으로 판단되며, 또한 ICP-OES 분석에서 염수 내 K⁺, Mg²⁺ 와 Ca²⁺의 농도가 증가한 것으로 보아 XRF 분석결과와도 일치하였다.
화학적 구성을 규명하기 위하여 수행된 XRF의 결과에 따르면, 실험에 사용된 덮개암 시료에는 SiO2가 전체 성분 중 63.97%로 가장 높은 비율을 차지하고 있었으며, Al2O3, Fe2O3, Na2O, K2O, MgO, CaO 등이 포함되어 있는 것으로 나타났다.

후속연구

이 연구에서는 국내 이산화탄소 지중저장 후보지의 하나로 알려진 포항분지 덮개암의 광물학적 및 암석학적 특성을 파악하고, 실험을 통해 이산화탄소 지중저장시 단기간에 발생할 수 있는 이산화탄소-덮개암-염수 반응에 의한 덮개암의 지화학적 풍화를 규명하고, 이러한 실험결과들을 이용하여 이산화탄소가 퇴적분지로 주입되어 염수에 완전히 용해된 이후에도 오랜시간 동안 산성환경에서 발생할 수 있는 덮개암과의 상호작용에 대한 영향을 파악하기 위해 지화학 모델링을 수행하였다. 이 연구의 결과는 수십 또는 수백년 이후의 지중저장 환경에서 이산화탄소와 덮개암에서 예측되는 반응거동을 이해하는데 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	K-장석과 몬모릴로나이트 또는 운모와 같이 Mg를 포함하는 광물을 100년 동안 모델링한 결과는?	반응 후 염수 내 Ca2+, Na+, K+, Mg2+ 이온들의 농도는 사장석, K-장석과 몬모릴로나이트 또는 운모와 같이 Mg를 포함하는 광물의 용해 반응에 의해 증가하였다. 100 년 동안 모델링한 결과, 사장석과 K-장석은 분해되고, 카올리나이트가 침전되고, 이차광물인 도소나이트와 베이덜라이트가 생성되었다. 특히, 이차광물인 도소나이트의 침전에 의해 지중 저장된 이산화탄소의 일부가 트랩된 것을 확인할 수 있다. 덮개암을 구성하는 광물의 용해와 재결정에 의해 암석의 공극률에는 이산화탄소 주입으로 인해 큰 변화가 없을 것으로 판단된다. 이러한 연구 결과는 이산화탄소를 지중저장하는 동안 덮개암과 scCO2와의 상호반응에 의해 염수의 pH, 광물의 용해도과 안정성 등에 영향을 미칠 수 있음을 보여주었다.
	퇴적 분지에서 이산화탄소 지중저장은 무엇에 적합한 지질구조의 최적지로 관심받고 있는가?	, 1994; Marchetti, 1977). 퇴적 분지에서의 이산화탄소 지중저장은 생산 중이거나 생산이 끝난 유전이나 가스전, 석탄층, 심부 대염수층 등이 적합한 지질구조의 최적지로 관심의 대상이 되고 있다(Metz et al., 2005; Wang, 2009; Park et al.
	지중저장 기술은 무엇인가?	대기 중으로 배출되는 온실가스를 줄이기 위한 방법으로 이산화탄소를 포집하여 농축시킨 다음 퇴적 지층으로 주입하는 지중저장 기술이 1970년대 초에 최초로 제안되었다(Bachu et al., 1994; Marchetti, 1977).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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