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原位 X 射线衍射研究不同湿度的超临界 CO2 暴露下钠离子饱和蒙脱石。

In situ X-ray diffraction study of Na+ saturated montmorillonite exposed to variably wet super critical CO2.

机构信息

Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington 99352, United States.

出版信息

Environ Sci Technol. 2012 Apr 3;46(7):4241-8. doi: 10.1021/es300234v. Epub 2012 Mar 26.

DOI:10.1021/es300234v
PMID:22404533
Abstract

Reactions involving variably hydrated super critical CO(2) (scCO(2)) and a Na saturated dioctahedral smectite (Na-STX-1) were examined by in situ high-pressure X-ray diffraction at 50 °C and 90 bar, conditions that are relevant to long-term geologic storage of CO(2). Both hydration and dehydration reactions were rapid with appreciable reaction occurring in minutes and near steady state occurring within an hour. Hydration occurred stepwise as a function of increasing H(2)O in the system; 1W, 2W-3W, and >3W clay hydration states were stable from ~2-30%, ~31-55 < 64%, and ≥ ~71% H(2)O saturation in scCO(2), respectively. Exposure of sub 1W clay to anhydrous scCO(2) caused interlayer expansion, not contraction as expected for dehydration, suggesting that CO(2) intercalated the interlayer region of the sub 1W clay, which might provide a secondary trapping mechanism for CO(2). In contrast, control experiments using pressurized N(2) and similar initial conditions as in the scCO(2) study, showed little to no change in the d(001) spacing, or hydration states, of the clay. A salient implication for cap rock integrity is that clays can dehydrate when exposed to wet scCO(2). For example, a clay in the ~3W hydration state could collapse by ~3 Å in the c* direction, or ~15%, if exposed to scCO(2) at less than or equal to about 64% H(2)O saturation.

摘要

在 50°C 和 90 巴的条件下,通过原位高压 X 射线衍射研究了超临界 CO2(scCO2)和 Na 饱和二八面体蒙脱石(Na-STX-1)之间的可变水合反应,这些条件与 CO2的长期地质封存有关。水化和脱水反应都很快,在几分钟内就有明显的反应,在一小时内达到近稳态。水化反应是随着系统中 H2O 含量的增加而逐步发生的;在 scCO2 中,1W、2W-3W 和>3W 粘土水化状态分别在2-30%、31-55 <64%和≥71%H2O 饱和度下稳定。将亚 1W 粘土暴露于无水 scCO2 中会引起层间膨胀,而不是预期的脱水收缩,这表明 CO2 插入了亚 1W 粘土的层间区域,这可能为 CO2 提供了一种次要的捕集机制。相比之下,使用加压 N2 并采用与 scCO2 研究相同的初始条件进行的对照实验表明,粘土的 d(001)间距或水化状态几乎没有变化。这对盖层完整性有一个重要的启示,即当暴露于湿 scCO2 时,粘土可以脱水。例如,如果在低于或等于约 64%H2O 饱和度的情况下暴露于 scCO2,则处于3W 水化状态的粘土在 c*方向上可能会收缩约 3Å,或收缩约 15%。

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