UTILIZING SAUDI BASALT FOR CARBON MINERALIZATION: IMPLICATIONS OF REDUCING CO2 EMISSION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS THESIS Eisa alghawi 202101870 final version.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 4 May 2026. Download (15MB)

Arabic Abstract

إن ازدياد معدل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون على مدى السنوات الماضية، يشكل خطرًا عالميًا على كوكب الارض ويهدد حياة الإنسان فيه. ولمعالجة هذه القضية، تم تقديم العديد من المبادرات في جميع أنحاء العالم للتخفيف من مستوى انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. ومن هذه المبادرات، مبادرتي السعودية الخضراء والشرق الأوسط الأخضر لزراعة 50 مليار شجرة التي من شأنها امتصاص حوالي 2.5٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية. وبما أن هذه المبادرات تتطلب كميات هائلة من المياه في حين أن العالم يواجه أزمة ندرة المياه. ولهذا السبب، يمكن استخدام تقنيات فيزيائية وجيولوجية لتعزيز التقاط وتخزين ثاني أكسيد الكربون المحيط، وهي ضرورية لخفض مستوى انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بشكل أكبر للمساعدة في تحقيق هدف المملكة العربية السعودية للوصول الى صافي انبعاثات الكربونية (الحياد الصفري) بحلول عام 2060. ومن بين هذه التقنيات المستخدمة لهذا الغرض التمعدن الكربون السطحي وتحت السطحي. ويعد الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو تقييم كفاءة التمعدن السطحي لثاني أكسيد الكربون باستخدام صخور البازلت الموجودة في السعودية. حيث تم طحن عينات مختلفة من صخور البازلت وخلطها بمياه البحر في ظل ظروف ضغط ودرجة حرارة مختلفة في المختبر. وتم جمع صخور البازلت المستخدمة في هذه التجارب من حرتي العيص ورهاط، وهما حقلان للحمم البركانية يقعان في المنطقة الغربية من المملكة العربية السعودية. في حين تم جمع عينات مياه البحر من ساحل أملج على البحر الأحمر. تم اجراء عدة تحاليل على كل من عينات البازلت ومياه البحر للتعرف على الخصائص الفيزيائية والكيميائية باستخدام تقنيات تحليلية مختلفة. في هذه الدراسة تم اجراء عدة تجارب لتحديد آثار الضغط ودرجة الحرارة ومستوى الرقم الهيدروجيني والملوحة ومدة التفاعل والمحتوى الأيوني على كفاءة عمليات تمعدن الكربون. وأظهرت النتائج أن التركيز الأيوني في البازلت له أعلى تأثير على تفاعل الماء والبازلت وثاني أكسيد الكربون مما أدى إلى امتصاص 5.43 جرام / لتر من ثاني أكسيد الكربون وترسيب حوالي 10.62 جرام من الكربونات. ولوحظ استخدام حامض الستريك في التجارب لتقليل الاس الهيدروجيني وزيادة الملوحة المياه إلى تحسين إذابة المعادن وخاصة الكالسيوم والحديد وكذلك امتصاص ثاني أكسيد الكربون لتحفيز ترسيب الكربون. بالإضافة إلى ذلك، أدى ارتفاع الضغط إلى زيادة كبيرة في امتصاص ثاني أكسيد الكربون. وأيضاً تم تحقيق امتصاص الى ثاني أكسيد الكربون بمقدار 2.84 جم/لتر بعد الخلط لمدة سبعة أيام مقارنة بامتصاص 2.14 جرام/لتر فقط بعد يوم واحد. وعلى العكس فإن زيادة درجة الحرارة من 50 الى 75 درجة مئوية قللت من ذوبان ثاني أكسيد الكربون من 2.70 الى 2.55 جرام / لتر. خلال هذه الدراسة، تم امتصاص ما يصل الى 5.36 جرام/ لتر من ثاني أكسيد الكربون وترسيب 13.34 جرام من الكربونات بعد سبعة أيام عند ضغط 1000/بوصة مربعة، ودرجة حموضة 3، وباستخدام البازلت الغني بالمغنيسيوم ومياه البحر. لذلك، ثبت من هذه الدراسة أن ارتفاع ضغط ثاني أكسيد الكربون، وانخفاض درجة حموضة الماء، وباستخدام البازلت الغني بالمغنيسيوم عند درجة حرارة 25 درجة مئوية تعتبر هي الظروف المثالية لتمعدن الكربون. وعليه، تظهر هذه الدراسة أن عمليات تمعدن الكربون السطحية، التي تستخدم مزيجاً من مياه البحر وصخور البازلت تُعد تقنية فعالة لاحتجاز الكربون وتخزينه والتي يمكن استخدامها في المملكة العربية السعودية. كما يوصى بإجراء دراسة تجريبية لهذه التقنية لتقييم تحليل التكلفة والفائدة بشكل أدق وأعمق.

English Abstract

Carbon dioxide (CO2) emissions have increased over the past years, posing a serious global risk to the planet and threatening human life. To address this issue, several initiatives have been introduced worldwide to mitigate the emission level of CO2. The Saudi and Middle East Green Initiatives are designed to plant 50 billion trees, which would absorb around 2.5% of global CO2 emissions. However, these initiatives require huge quantities of water at a time when there is a world-wide water scarcity crisis. For this reason, additional physical and geological technologies can be used to enhance the capture and storage of ambient CO2, which they are needed to further decrease the level of ambient CO2 to help achieve Saudi Arabia’s goal of net-zero emissions by 2060. Surface and subsurface carbon mineralization are among these technologies that are used for this purpose. The aim of this study is to assess the efficiency of CO2 mineralization (uptake) using Saudi basalt rocks. Different basalt rock samples were ground and mixed with seawater under various temperature and pressure conditions in a lab-scale reactor. The rock samples were collected from Harrat Lunayyir and Harrat Rahat, volcanic lava fields located in the western region of Saudi Arabia; whereas, seawater samples were collected from Umluj coast on the Red Sea. Both the basalt rock and seawater samples were characterized for their physicochemical properties using various techniques. The effects of pressure, temperature, pH, salinity, duration, and ionic content on the efficiency of the surface carbon mineralization processes were investigated. The results showed that the ionic concentration in the basalt has the highest impact on the water- basalt - CO2 interaction resulting in approximately 5.43 g/l of CO2 uptake and precipitated about 10.62 g of carbonates. It was noted that decreasing the pH and increasing salinity of the rock-seawater solution made the calcium and iron minerals more soluble, thus resulting in greater CO2 uptake. Moreover, increasing both the injection pressure and mixing time have led to a higher solubility of CO2, which also improved the CO2 absorption. For example, a 2.84 g/l of CO2 uptake was achieved after mixing for seven days compared to only 2.14 g/l after one day. On the contrary, increasing the temperatures of the solution from 50oC to 75oC lowers the CO2 solubility, therefore reducing the CO2 uptake from 2.70 g/l to 2.55 g/l respectively. During the investigation, as much as 5.63 g/l of ambient CO2 was captured and 13.34 g of carbonates were precipitated after seven days at a pressure of 1000 psi, a pH of 3, and using magnesium-rich basalt dissolved in seawater; therefore, it is demonstrated that higher pressures, lower pH of water, and utilizing magnesium-rich basalt at 25 ᵒC are the optimum conditions for carbon mineralization. The study shows that surface carbon mineralization processes, which use a mixture of seawater-basalt rock, is an efficient carbon capture and storage technology that can be utilized in Saudi Arabia. A pilot-scale investigation of this technology is recommended to further assess the cost-benefit analysis.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Earth Sciences Research > Environment
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Committee Advisor:	Tawabini, Bassam Shafiq
Committee Members:	Abu Mahfouz, Israa and Yaseri, Ahmed
Depositing User:	EISA ALGHAWI (g202101870)
Date Deposited:	05 May 2025 05:19
Last Modified:	05 May 2025 05:19
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143349