Physicochemical studies of inorganic deposits in geothermal systems and mitigation methods to control their formation
Authors: Καμαράτου Μιχαέλα 
Published: June 2024

Η γεωθερμική ενέργεια αποτελεί μια ενδιαφέρουσα, βιώσιμη και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Ωστόσο, μια σημαντική πρόκληση που αντιμετωπίζουν πολλά γεωθερμικά πεδία είναι η εμφάνιση ανόργανων (μεταλλοσουλφιδικών και μεταλλοπυριτικών) εναποθέσεων και επικαθίσεων, που αποτελούν σοβαρά εμπόδια στην αποδοτική λειτουργία των γεωθερμικών εγκαταστάσεων. Ο σχηματισμός, η κρυστάλλωση και η εναπόθεση αυτών των ανόργανων ενώσεων οφείλονται κυρίως στην εξαιρετικά χαμηλή διαλυτότητά τους, που χαρακτηρίζεται από χαμηλές θερμοδυναμικές σταθερές διαλυτότητας (Ksp), και σε ορισμένες περιπτώσεις, στις αντίστροφες διαλυτότητές τους. Αυτή η μελέτη εστιάζει σε ποικίλους σημαντικούς τύπους γεωθερμικών εναποθέσεων, όπως θειούχος σίδηρος, πυριτικός σίδηρος (Fe(II) και Fe(III)), διοξείδιο του πυριτίου, οξυ-υδροξείδια του σιδήρου και στοιχειακό θείο. Από γεωλογικής άποψης, τόσο τα πυριτικά σιδήρου όσο και το διοξείδιο του πυριτίου (χαλαζίας) αποτελούν μια οικογένεια ευρέως μελετημένων και καλά χαρακτηρισμένων γεωλογικών σχηματισμών. Παρόλο που οι όροι «μεταλλοσουλφίδια» και «μεταλλοπυριτικά» χρησιμοποιούνται συνήθως στο πεδίο της επεξεργασίας νερού για να υποδηλώσουν οποιοδήποτε άλας ή εναπόθεση που περιέχει Si και Fe, η πραγματική ταυτότητα αυτών των εναποθέσεων παραμένει ασαφής. Στην πραγματικότητα, αυτές οι εναποθέσεις που σχηματίζονται στα γεωθερμικά ύδατα μοιάζουν περισσότερο με άμορφο διοξείδιο του πυριτίου, με ιόντα Fe(II) και Fe(III) εγκλωβισμένα μέσα ή στην επιφάνεια κολλοειδών σωματιδίων, και εμφανίζουν ελάχιστη ομοιότητα με τις γεωλογικές εναποθέσεις. Στόχο της παρούσας διατριβής αποτελεί η αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων εναπόθεσης, και η συστηματική μελέτη της επίδρασης χημικών προσθέτων παρουσία ιόντων σιδήρου και η συσχέτιση (όταν είναι δυνατόν) της χημικής δομής με τη χημεία αναστολής. Ο θειούχος σίδηρος αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα μεταλλικών θειούχων. Οι εξαιρετικά χαμηλές τιμές Ksp του επιτρέπουν άμεση καθίζηση σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις μετάλλου και σουλφιδίου. Κλασικές τεχνικές αναστολής σχηματισμού, καθώς και διασποράς, αποτελούν χρήσιμες στρατηγικές για τον έλεγχο του σχηματισμού και/ή της εναπόθεσης ανόργανων ενώσεων. Οι τρόποι αντιμετώπισης του σχηματισμού των μεταλλοσουλφιδίων περιλαμβάνουν την αναστολή της πυρήνωσης/κρυστάλλωσης στα αρχικά στάδια σχηματισμού ή την εξάλειψη της εναπόθεσής τους σε μεταλλικές επιφάνειες. Για τις μελέτες των μεταλλοσουλφιδίων σχεδιάστηκε ένα νέο πρωτόκολλο που εξασφάλισε επαναλήψιμα και αξιόπιστα αποτελέσματα. Το πρωτόκολλο βασίστηκε στις ακόλουθες αρχές: (α) ορατή και γρήγορη καταβύθιση θειούχου σιδήρου, (β) το ίζημα θα πρέπει να εμφανίζεται ως μαύρο στερεό στον πυθμένα του δοχείου (απαραίτητη συνθήκη για την εφαρμογή μεθόδων διασποράς), (γ) επαναλήψιμα αποτελέσματα, (δ) συμβατότητα με τη χημεία του γεωθερμικού νερού. Οι εναποθέσεις που περιέχουν θείο σε γεωθερμικά συστήματα αποτελούνται κυρίως από στοιχειακό θείο. Το στοιχειακό θείο αποτελεί προϊόν οξείδωσης του υδρόθειου που περιέρχεται στον ατμό. Αυτό μπορεί να μετατραπεί σε στοιχειακό θείο, θειοθειικά και θειικά ανιόντα, μέσω χημικών ή/και βιολογικών διαδικασιών. Το στοιχειακό θείο είναι αδιάλυτο, ενώ το θειικό ανιόν είναι ευδιάλυτο. Μέχρι τώρα, δεν υπάρχουν βιβλιογραφικές αναφορές για την αντιμετώπιση του σχηματισμού του στοιχειακού θείου. Η επίτευξη της αναστολής σχηματισμού του μέσω χημικών προσθέτων που το σταθεροποιούν και το διατηρούν διαλυτό είναι αδύνατη. Όλες οι προσπάθειες διασποράς του θείου απέτυχαν στα πειράματά μας. Επί του παρόντος, η μόνη αποτελεσματική μέθοδος για την αντιμετώπιση του θείου είναι ο μηχανικός καθαρισμός των επικαλυμμένων επιφανειών, καθώς δεν υπάρχουν γνωστές αναφορές στη βιβλιογραφία για την απομάκρυνσή του μέσω χημικών προσθέτων. Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας αποτελούν τα πρώτα παραδείγματα απομάκρυνσης θείου από επιφάνειες μέσω χρήσης χημικών προσθέτων. Με βάση πληθώρα πειραματικών δεδομένων, έχουν παραχθεί σημαντικές και χρήσιμες γνώσεις, που συμβάλλουν στην οικοδόμηση μιας ολιστικής εικόνας του μηχανισμού σχηματισμού και ελέγχου του πυριτικού σιδήρου, του θειούχου σίδηρου και του στοιχειακού θείου.