Why is Dawsonite Absent in CO₂ Charged Reservoirs?

Pourquoi la dawsonite est-elle absente des réservoirs chargés en CO₂ ?

Department of Geosciences, University of Oslo, Pb. 1047, Blindern, Oslo - Norway
e-mail: helghe@geo.uio.no - julien.declercq@geo.uio.no - per.aagaard@geo.uio.no

Abstract

Growth of the sodiumaluminium-hydroxy carbonate dawsonite (NaAl(OH)₂CO₃) after charging saline aquifers with CO₂ has been assumed in a plethora of numerical simulations at different mineralogies, aqueous solutions, pressures and temperatures. It appears however that dawsonite is less abundant than expected in natural CO₂ storage analogues if we take into account the thermodynamic stability alone.

We have mapped the thermodynamic stability of dawsonite relative to mineral phases like albite, kaolinite and analcime from 37° to 200°C and performed closed-system batch kinetic simulations using a new kinetic expression including a nucleation term based on classical nucleation theory, and a growth term that was based on BCF growth theory. Using this rate equation, we have performed a sensitivity study on dawsonite growth on mineralogy, temperature, CO₂ pressure, nucleation rate and its dependencies on temperature and affinity, and on the dawsonite precipitation rate coefficient. Simulations with dawsonite growth disabled showed that the maximum oversaturation reached for dawsonite for seawater-like solutions never exceeded 3-4 times oversaturation. The positive effect on dawsonite growth of increasing the CO₂ pressure was mostly neutralized by higher acidity. Decreasing the precipitation rate coefficient by 5 orders of magnitude had a limited effect on the onset of significant growth, but the amount of dawsonite formed at the end of the 1 000 years simulated time was only 37% below the high-rate case. Reducing the nucleation rates had similar effects leading to postponed dawsonite growth. Finally, based on thermodynamic considerations and numerical simulations, we suggest that the potential of dawsonite growth is limited to a medium-temperature window framed by a high thermodynamic stability relative to competing mineral phases at low temperatures, but with rapidly diminishing nucleation and growth rates at lower temperatures constrained by energy barriers.

Résumé

La possibilité pour la dawsonite – un hydroxy-carbonate de sodium et d’aluminium (NaAl(OH)₂CO₃) – de précipiter dans les aquifères salins dès lors que l’on y injecte du CO₂ a été suggérée dans maintes simulations menées sur différentes compositions (minéraux et solution aqueuse) et dans des conditions de pression et de température variées. Pourtant, sur le strict plan de la stabilité thermodynamique, la dawsonite paraît moins communément répandue que l’on pourrait s’y attendre dans les analogues naturels de stockages de CO₂.

On a cartographié la stabilité thermodynamique de la dawsonite par rapport à des phases minérales comme l’albite, la kaolinite et l’analcime, entre 37 et 200 °C, puis on a simulé numériquement des évolutions minérales en système fermé à l’aide d’un nouveau formalisme cinétique pour la précipitation, formalisme qui inclut (1) un terme de nucléation, basé sur la théorie classique de la nucléation, et (2) un terme de croissance, dérivant de la théorie BCF de la croissance. Utilisant cette équation de vitesse, on a réalisé une étude de sensibilité pour examiner comment la croissance de la dawsonite varie avec la composition minérale, la température, la pression partielle de CO₂, la vitesse de nucléation – et les variations de cette dernière avec la température et l’affinité chimique –, et enfin la constante de vitesse adoptée pour la loi de précipitation de la dawsonite. Lorsqu’on empêche la dawsonite de précipiter, le rapport de sur-saturation ne dépasse jamais 3 ou 4 pour des solutions de type eau de mer. La propension accrue à précipiter si la pression partielle de CO₂ augmente est contrebalancée par l’effet d’acidification de la solution. Diminuer jusqu’à 5 ordres de grandeur la vitesse de précipitation n’a qu’un effet limité sur le démarrage d’une croissance significative, et au bout de 1 000 ans de simulation la quantité de dawsonite formée est de 37 % ce qu’elle est dans le régime de précipitation maximale. Réduire le taux de nucléation a le même effet de retarder la croissance du minéral. Au bout du compte, sur la base de considérations thermodynamiques et au vu des simulations présentées, on suggère que le potentiel de croissance de la dawsonite est restreint à une fenêtre de températures médianes. À basse température, la stabilité relativement grande de la dawsonite vis-à-vis des minéraux en compétition est contrecarrée par la forte diminution des vitesses de nucléation et de croissance, ce qui reflète une puissante barrière énergétique.