CCS, CCUS EP 9 Mineralization Trapping

CCS, CCUS EP 9 Mineralization Trapping – เรื่องหินๆ ที่ดันกล้วยๆ ซะงั้น

สวัสดีครับพี่ๆ เพื่อนๆ น้องๆ และคนที่สนใจในเทคโนโลยี CCS ทุกท่านนะครับ

หลังจากตอนที่แล้วผมได้กล่าวถึงพฤติกรรมของก๊าซ CO₂ ไปแล้วว่ามันกลายเป็นโซดานั่งดริ้งได้ยังไง

โดยผมจะขออนุญาตสรุปคร่าวๆ ทบทวนให้ฟังกัน

1. CO₂ แปลงร่างไปรวมอยู่กับน้ำกลายเป็นโซดา เนื่องจากกลไกการละลาย (Dissolution Trapping)
2. โซดาเกิดปฏิกิริยาแปลงร่างเป็นกรดคาร์บอนิก (H₂CO₃)
3. กรดแตกตัวเป็นสารประกอบ ไบคาร์บอเนต (HCO₃^–) และ คาร์บอเนต (CO₃^2-)

CCS, CCUS EP 9 Mineralization Trapping

CCS, CCUS EP8 – Dissolution Trapping

ซึ่งไอเจ้า ไบคาร์บอเนต (HCO₃^–) และ คาร์บอเนต (CO₃^2-) (ซึ่งผมเรียกรวมๆ ว่าสารประกอบคาร์บอเนต) นี่แหละคือพระเอกตัวจริงที่จะกลายไปเป็นแร่หินชนิดใหม่ครับผม

แล้วคำถามต่อมาที่สำคัญเลยก็คือ ไอเจ้าสารประกอบคาร์บอเนตเหล่านี้เนี่ย มันจะไปจับกับอะไรจ๊ะ?

คำตอบก็คือแร่ธาตุที่อยู่ในก้อนหินยังไงหละ แต่ไม่แร่ทุกชนิดที่จะเกิดปฏิกิริยานะครับผม เหมือนกับคำคมที่ว่าไม่ใช่ทุกปลั๊กจะมีไฟ ไม่ใช่ทุกใจจะมีรัก (ฮ่าๆ)

ประเด็นมันอยู่ที่ตรงนี้แหละครับว่าแล้วเราจะรู้ได้ยังไงว่าไอเจ้าแร่ธาตุที่อยู่ในก้อนหินเนี่ย ชนิดไหนบ้างเหมาะที่จะจับกับสารประกอบคาร์บอเนตไปเป็นแร่ชนิดใหม่?? ติ๊กต๊อกๆ

เรื่องนี้มันมี 2 ประเด็นครับ

ประเด็นแรกต้องย้อนกลับไปดูที่สูตรเคมีของสารประกอบคาร์บอเนตครับ จากที่เห็นกันแบบจะๆ เลยก็คือลักษณะของประจุสำหรับสารประกอบคาร์บอเนต ซึ่งเป็นประจุลบทั้งคู่ มีทั้ง -1 ประจุ และ -2 ประจุกันเลย (สังเกตตัวห้อยข้างบนนะครับ) ที่นี้ก็พอจะเดาออกแล้วใช่ไหมครับว่าเราก็น่าจะพิจารณาแร่อะไรก็ได้ที่สามารถมีตัวห้อยมาหักล้างประจุได้จะทำให้มีโอกาสจับตัวและเกิดปฏิกิริยาธรณีเคมีมากยิ่งขึ้น (Geochemical reaction)

ซึ่งหินที่มีแร่จำพวกเนี๊ยะ ผมจะเรียกว่าฐานที่มั่นนะครับ (Host Rock)

ฐานที่มั่นที่ดีที่สุดคือหินที่มีองค์ประกอบของโลหะเบสสูง โดยเฉพาะ แคลเซียม (Ca²⁺) และ แมกนีเซียม (Mg²⁺) เพราะไอออนเหล่านี้คือ กุญแจสำคัญ ในการสร้างแร่คาร์บอเนต

ซึ่งไอเจ้าแร่พวกที่มี Ca²⁺ กับ Mg²⁺ หรือแร่ชนิดอื่นๆ ผมสรุปให้ดูในรูปและตารางด้านล่างครับ

ตารางสรุปชนิดแร่ สูตรโมเลกุล และ ศักยภาพในการทำปฏิกิริยากับ CO₂ ทางทฤษฎี

อ้างอิง: Frontiers | Mineralization Technology for Carbon Capture, Utilization, and Storage

เมื่อเรารู้จักแร่ธาตุเป้าหมายแล้วเนี่ย สิ่งถัดมาจะนำไปสู่ในประเด็นต่อไปคือ ลักษณะทางธรณีวิทยาของหิน (เรียกสั้นๆ Facies เฟชี่ หรือ เฟเชียส แล้วแต่บุคคล) แต่ละชนิดในแหล่งกักเก็บของเราแล้วแหละครับว่าในการเกิดก้อนหินภายในแหล่งของเค้าเนี่ย มีการรวมกลุ่มรวมแก๊งค์กันยังไง ไผหรือผู้ใด๋ มาจากบ้านได๋กันบ้าง ซึ่งจะสะท้อนให้เห็นว่ามีแร่ธาตุอะไรเป็นองค์ประกอบของก้อนหินครับ

ผมขอยกตัวอย่างของแท่งหินตัวอย่างจากการเจาะ (ภาษาหน้างานคุยกันเรียกแท่ง คอร์ / core)

เครดิตรูปภาพซ้าย: File:Mt. Simon Sandstone (Middle Cambrian; Warren County core, Ohio, USA) 10.jpg – Wikimedia Commons

เครดิตรูปภาพขวา: Berea Sandstone Cores | Cleveland Quarries

หินก้อนฝั่งซ้ายเป็นหินทรายโดยกำเนิดแต่สีสันหน้าตาแตกต่างจากปกติ (ก้อนฝั่งขวาหน้าขาวจั๋วะ) เพราะตอนตกตะตอนมีโลหะหรือธาตุเหล็กอยู่รวมกันด้วยทำให้เห็นหินทรายเป็นสีออกแนวส้มๆ แทน สลับกับสีขาว

ซึ่งโดยปกติในแหล่งกักเก็บของเราก็จะพบกับหินทรายที่มี facies หลากหลายกันอยู่แล้ว โดยเราประมาณแร่ธาตุที่พบในแหล่งได้จากเทคนิคด้านล่างครับ

วิธีการจะวัดแร่ธาตุในหินจะมีคร่าวๆ 2 วิธีที่นิยมกันครับ

1. วิธีวัดเชิงคุณภาพ (Qualitative Analysis) เค้าจะใช้เทคนิคการวัดที่เรียกว่า Thin section โดยการสไลด์หน้าตัดหินบางๆ ประมาณ 30 ไมโครเมตร มาส่องกล้องแล้วนั่งวิเคราะห์ว่ามีแร่อะไรเป็นองค์ประกอบบ้างให้เห็นจะๆ คาตากันเลยทีเดียว รูปภาพตัวอย่างเทคนิค thin section ด้านล่างนะครับ

• วิธีการวัดเชิงปริมาณ (Quantitative Analysis) เค้าจะใช้เทคนิคที่เรียกว่า X-ray Diffraction หรือ XRD โดยอาศัยคุณสมบัติเรื่องโครงสร้างของแร่ธาตุแต่ละชนิดจะมีรูปร่างไม่เหมือนกัน ทำให้ยิงรังสี X ไปแล้วสะท้อนกลับมาไม่เหมือนกัน ทำให้เราสามารถระบุแร่ได้ว่ามีชนิดไหนบ้าง
• ซึ่งความเข้มของสิ่งที่สะท้อนออกมาจะขึ้นอยู่กับปริมาณของแร่ด้วยทำให้เราทราบปริมาณร้อยละ (Weight Percent) ของแร่ชนิดนั้นๆ ครับ

ทีนี้แหละครับ CO₂ ในรูปของสารประกอบคาร์บอเนตก็พร้อมทำปฏิกิริยาเกิดเป็นแร่ธาตุใหม่ๆ เรียบร้อย ฟังดูแล้วก็เหมือนจะสวยหรูถูกไหมครับ?

ผมจะพานักอ่านทุกท่านไปวิเคราะห์ในมิติด้านอื่นๆ กันครับ

หากใครจำได้ … ไม่ว่าจะกลไกการกักเก็บตัวไหนก็แล้วแต่ ทุกสิ่งทุกอย่างยังคงเกิดในรูพรุน (porosity) ถูกไหมครับ?

ประเด็นหลักที่น่าจะเกิดขึ้นแน่นอน คือ อะไรรู้ไหมครับ >> แร่มันก็เกิดขึ้นในรูพรุนนี่แหละครับพี่น้องทั้งหลาย พอเกิดแร่เสร็จแล้วงานงอกไหมครับเมื่อรูพรุนมันลดลง คำตอบง่ายๆ จะงอกไม่งอก มี 2 สถานการณ์ครับ

1. แหล่งนี้อัดเสร็จแล้วเต็มลิมิตแหล่งกักเก็บที่จะรับได้แล้ว  หยุดการอัด shut-in หลุม >> กรณีนี้สบายใจครับไม่มีปัญหาอะไรมาก
2. แหล่งนี้อัดยังไม่เสร็จปริมาณที่อัดได้อีก 10-15 ปี >> ชั้นหินในแหล่งเกิดกระบวนการ mineralization เร็วมาก >> กรณีนี้ค่อนข้างน่าปวดหัวนิดหน่อยครับเนื่องจาก porosity และ permeability บริเวณใกล้กับหลุมอัด (near well bore) ของเราจะเกิดการอุดตันครับ (Clogging) ทำให้อาจจะต้องใช้วิธีในการ remedial หลุม เช่น well stimulation ด้วย Acidizing อัดกรดลงไปกัดหินรอบๆ จุดอัด เพื่อเปิดทางใหม่ หรือถ้ามันแย่มากๆ อาจจะต้องย้ายจุดอัดใหม่โดยการเจาะหลุมมาอัดใหม่นั้นเองครับ รูปภาพให้เห็นภาพง่ายๆ ด้านล่างครับ

ฮ่าๆ ผมคิดว่าน่าจะพอเห็นภาพกันแล้วใช่ไหมครับ

ทีนี่แหละไปดูของกันจริงกันดีกว่า ผมจะพาไปเที่ยวที่ไอซ์แลนด์ Iceland กันครับ เนื่องจากที่นั้นมีโครงการที่อัด CO₂ ลงไปในแหล่งกักเก็บอยู่ชื่อว่า Carbfix ครับ เป็นโครงการด้าน CCS ที่ดังต้นๆของโลกเราเลยในตอนนี้

โดยไอเจ้าโครงการ Carbfix เนี่ยเค้าใช้วิธีการอัด CO₂ ที่พิเรนกว่าชาวบ้านชาวช่องเค้านิดหน่อย โดยการนำ CO₂ มาผสมกับน้ำตั้งแต่บนบกเลยครับ ให้ได้น้ำโซดา แล้วอัดลงหลุมไปเลย ตามรูปด้านล่างนี้ครับ

สิ่งที่ได้คือเกิดกระบวนการ Mineralization ไวมากประมาณ 2 ปีก็เริ่มเกิดแล้วครับดูจากรูปด้านล่างได้เลยผลึกสีขาวๆ นี่แหละครับ

ดูกลไกการกักเก็บของเค้าสิครับ เหลือแค่เนี๊ยะ

ข้อดี คือ ไม่ต้องรอนานเก็บได้ชัวร์แน่นอน แต่ข้อเสีย คือ ต้องบริหารแหล่งกักเก็บให้ดีครับผม

หากคุณเป็นวิศวกรแหล่งกักเก็บคุณก็ต้องพิจารณาข้อดีข้อเสียแตกต่างกันไปแล้วเลือกวิธีให้เหมาะสมกับแหล่ง

ยังไงในอนาคตผมค่อนข้างมั่นใจว่าชาวเรามีงานทำกันแน่นอนทั้งฝั่ง Drilling และ Geoscience แค่เปลี่ยนรูปแบบปรับเปลี่ยนธุรกิจไปตามกาลเวลา ขอให้ทุกท่านโชคดีขอบคุณครับ เอิ้กๆ

หากใครสนใจเกี่ยวกับโครงการนี้ไปเยี่ยมเค้าได้ที่นี่เลยครับ: How it works – Carbfix

เครดิตและอ้างอิง: earth.columbia.edu/sitefiles/file/Research/CarbFix_Matter.pdf

cordis.europa.eu/docs/results/283/283148/final1-carbfix-final-report-vff.pdf

ตอนหน้าจะพาไปพบกับ เทคโนโลยี MMV นะครับว่าอัดไปแล้วเราจะรู้ได้ไงว่ากลุ่มก้อนก๊าซเราไปอยู่ที่ไหนแล้ว

Nautilus (Tuna) – nattirut.ys@gmail.com

Special thanks to PEwoF team

---