Комп’ютерне фізико-хімічне моделювання поведінки водню та метану у водних розчинах
Анотація
У статті представлені результати числового фізико-хімічного моделювання розчинності водню і метану у програмному пакеті GEM-Selector (GEMS), обчислювальний алгоритм якого ґрунтуються на принципі мінімізації вільної енергії Гіббса. Це зручний числовий інструмент для дослідників, що дозволяє концентрувати увагу на фізико-хімічних взаємодіях між гетерогенними фазами, передбачати поведінку систем, фізичний експеримент на якими дуже дорогий або неможливий. Завдяки детальному моделюванню поведінки твердих, рідких (водних) та газових фаз програмний пакет забезпечує точний опис складних природних геохімічних систем. Вони можуть включати багато неідеальних твердих або рідких розчинів, газових сумішей або неідеальних газоподібних рідин. GEMS, разом з пов’язаними з ним термодинамічними базами даних, є важливими науковим інструментом для термодинамічного моделювання геохімічних процесів, включаючи, серед іншого, взаємодії твердих речовин, газу та рідини, розчинення – осадження мінералів, кінетику реакцій, процеси окислення – відновлення та сорбції. Мета дослідження: визначити особливості поведінки водню і метану в природних розчинах. Умови моделювання включали: температурний інтервал, який охоплював значення від 10 до 240 °С, і параметри тиску від 1 до 1751 бар. Результати дослідження включають насичення газами розчинів електролітів змінної солоності (0 і 10 ваг. % NaCl екв.), які продемонстровані за допомогою діаграм мольфракції, помноженої на 100 %, в залежності від температури й тиску. Здійснено порівняння результатів насичення розчинів різної солоності воднем та метаном для моделі із гідростатичним тиском та геотермічним градієнтом 25 °С/км. Розчинність водню і метану у водних натрій-хлоридних розчинах змінюється з температурою і тиском та зростає з ростом температури й тиску. Тиск має більше значення, ніж температура. На великих глибинах за великих значень тиску (більше 200 бар) водень краще розчиняється у водних розчинах, ніж метан, а у близько поверхневих умовах розчинення водню скорочується.
Завантаження
Посилання
International Energy Agency. (2021). Global hydrogen review 2021 (136). https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2021
International Energy Agency. (2019). The future of hydrogen: Seizing today’s opportunities (Report prepared for the G20, Japan; 203). International Energy Agency.
Prinzhofer, A., Tahara Ciss, S. C., & Diallo, A. B. (2018). Discovery of a large accumulation of natural hydrogen in Bourakebougou (Mali). International Journal of Hydrogen Energy, 43, 19315–19326. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.08.193
Guelard, J., Beaumont, V., Guyot, F., Pillot, D., Jezequel, D., Ader, M., Newell, K., & Deville, E. (2017). Natural H₂ in Kansas: Deep or shallow origin? Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 18(5), 1793–2008. https://doi.org/10.1002/2016GC006544
Prinzhofer, A., Moretti, I., Francolin, J., Pacheco, C., D’Agostino, A., Werly, J., & Rupin, F. (2019). Natural hydrogen continuous emission from sedimentary basins: The example of a Brazilian H₂-emitting structure. International Journal of Hydrogen Energy, 44(12), 5676–5685. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.01.119
Gaucher, E. (2020). New perspectives in the industrial exploration for native hydrogen. Elements, 16(1), 8–9. https://doi.org/10.2138/gselements.16.1.8
Klein, F., Tarnas, J., & Bach, W. (2020). Abiotic sources of molecular hydrogen on Earth. Elements, 16(1), 19–24. https://doi.org/10.2138/gselements.16.1.19
Parnell, J., & Blamey, N. (2017). Hydrogen from radiolysis of aqueous fluid inclusions during diagenesis. Minerals, 7, 130 (8 p.). https://doi.org/10.3390/min7080130
Sherwood Lollar, B., Onstott, T. C., Lacrampe-Couloume, G., & Ballentine, C. J. (2014). The contribution of the Precambrian continental lithosphere to global H₂ production. Nature, 516, 379–382. https://doi.org/10.1038/nature14017
Larin, V. (1993). Hydridic Earth: The new geology of our primordially hydrogen-rich planet. Polar Publishing, 247.
Moretti, I., Brouilly, E., Loiseau, K., Prinzhofer, A., & Deville, E. (2021). Hydrogen emanations in intracratonic areas: New guidelines for early exploration basin screening. Geosciences, 11, 145, 1–28. https://doi.org/10.3390/geosciences11030145
Moretti, I., Prinzhofer, A., Françolin, J., Pacheco, C., Rosanne, M., Rupin, F., & Mertens, J. (2021). Long-term monitoring of natural hydrogen superficial emissions in a Brazilian cratonic environment: Sporadic large pulses versus daily periodic emissions. International Journal of Hydrogen Energy, 46, 3615–3628. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.026
Gregory, S. P., Barnett, M. J., Field, L. P., & Milodowski, A. E. (2019). Subsurface microbial hydrogen cycling: Natural occurrence and implications for industry. Microorganisms, 7, 53, 14. https://doi.org/10.3390/microorganisms7020053
Sugimoto, A., & Fujita, N. (2006). Hydrogen concentration and stable isotopic composition of methane in bubble gas observed in a natural wetland. Biogeochemistry, 81, 33–44. https://doi.org/10.1007/s10533-006-9028-4
Lopez-Lazaro, C., Bachaud, P., Moretti, I., & Ferrando, N. (2019). Predicting the phase behavior of hydrogen in NaCl brines by molecular simulation for geological applications. Bulletin de la Société Géologique de France, 190(7), 1–15. https://doi.org/10.1051/bsgf/2019008
Bazarkina, E., Chou, I.-M., Goncharov, A., & Akinfiev, N. (2020). The behavior of H₂ in aqueous fluids under high temperature and pressure. Elements, 16(1), 33–38. https://doi.org/10.2138/gselements.16.1.33
APGYSI. (2021). A tutorial for geochemical modeling of fluid–rock interaction using GEM-Selektor and the MINES thermodynamic database. https://apgysi.github.io/gems-mines-tutorial/
Paul Scherrer Institute. (2019). GEM-Selektor overview. https://gems.web.psi.ch/overview.html
Paul Scherrer Institute. (2023). GEM software (GEMS). https://gems.web.psi.ch/
Kulik, D. A., Wagner, T., Dmytrieva, S. V., Kosakowski, G., Hingerl, F. F., Chudnenko, K. V., & Berner, U. R. (2013). GEM-Selektor geochemical modeling package: Revised algorithm and GEMS3K numerical kernel for coupled simulation codes. Computational Geosciences, 17, 1–24. https://doi.org/10.1007/s10596-012-9310-6
Wagner, T., Kulik, D. A., Hingerl, F. F., & Dmytrieva, S. V. (2012). GEM-Selektor geochemical modeling package: TSolMod library and data interface for multicomponent phase models. Canadian Mineralogist, 50(5), 1173–1195. https://doi.org/10.3749/canmin.50.5.1173
New Mexico Institute of Mining and Technology. (2024). MINES: GEMS tutorials. https://geoinfo.nmt.edu/mines-tdb/tutorials/
New Mexico Institute of Mining and Technology. (2024). MINES: Thermodynamic database. https://geoinfo.nmt.edu/mines-tdb/
Holland, T. J. B., & Powell, R. (1998). An internally consistent thermodynamic data set for phases of petrological interest. Journal of Metamorphic Geology, 16(3), 309–343.
Robie, R. A., & Hemingway, B. S. (1995). Thermodynamic properties of minerals and related substances at 298.15 K and 1 bar (10⁵ pascals) pressure and at higher temperatures (U.S. Geological Survey Bulletin 2131, 470. https://doi.org/10.3133/b2131
Fořt, J., Pavlík, Z., Ďurana, K., & Černý, R. (2015). Effect of sandstone anisotropy on its heat and moisture transport properties. Materials Science (Medžiagotyra), 21(3), 455–459. https://doi.org/10.5755/j01.ms.21.3.7202
Etiope, G. (2015). Natural gas seepage: The Earth’s hydrocarbon degassing. Springer International Publishing, 203. https://doi.org/10.1007/978-3-319-14601-0
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
