HYDROGEN TRANSPORT AND REACTION MECHANISMS IN PYRITE-RICH GEOLOGICAL FORMATIONS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis Draft_Saiyed Mohammed Hasnain_Final Draft.pdf Restricted to Repository staff only until 17 December 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

تزايد الإلحاح العالمي للحدّ من تغيّر المناخ، إلى جانب التحوّل نحو أنظمة الطاقة منخفضة الكربون، أدّى إلى تنامي الاهتمام بالهيدروجين بوصفه ناقلًا نظيفًا للطاقة، غير أنّ متطلبات التخزين واسع النطاق وطويل الأمد اللازمة لاقتصاد الهيدروجين تطرح تحديات تقنية كبيرة، خصوصًا في البيئات الجوفية. ويُعدّ التخزين تحت السطح للهيدروجين خيارًا واعدًا، لكن نجاحه يتوقّف على الحفاظ على نقاء الغاز ومنع التفاعلات الكيميائية غير المرغوبة. يدرس هذا البحث تأثير التكوينات الجيولوجية الحاوية على البايرايت في سلوك الهيدروجين وأداء التخزين؛ إذ تُظهر تجارب امتصاص الهيدروجين على لُبّيات صناعية أن المقابس الغنية بالبايرايت تختزن كميات أكبر من الهيدروجين بنسبة تقارب 28–100% مقارنةً بالعينات الخالية من البايرايت، وذلك في كلٍّ من الأوساط السيليسية والكربوناتية، غير أن تحاليل الكروماتوغرافيا الغازية (GC) تكشف أن البايرايت يتفاعل مع الهيدروجين مكوِّنًا غاز كبريتيد الهيدروجين (H2S)، بما يشير إلى مخاطر متزامنة تتمثّل في فقدان الهيدروجين وتلوّثه وانخفاض كفاءة التخزين، وهو ما يبرهن على أن التركيب المعدني عامل حاسم في سلامة تخزين الهيدروجين ويجب أن يؤخذ في الحسبان عند اختيار مواقع التخزين. وللحدّ من تفاعلية البايرايت، يستكشف هذا العمل استخدام نترات الصوديوم (NaNO3) بوصفها مادة معدِّلة للسطح تعمل في الموقع؛ حيث تؤدي خلال مرحلة المعالجة الحرارية إلى أكسدة أسطح حبيبات البايرايت وتكوين طبقة تخميل من أكسيد/هيدروكسيد الحديد الثلاثي (iron(III) oxyhydroxide) وأملاح الحديديك الكبريتية. وتُظهر المقارنات بين العينات المعالجة وغير المعالجة أن اللُّبّيات المعالجة بالنترات تكاد لا تُنتِج أي كميات قابلة للرصد من H₂S، على عكس البايرايت غير المعالج الذي يُظهر تفاعلية عالية أدّت إلى تكوّن H2S بكميات ملحوظة وظهور طور البيرروتيت بصريًا. وتؤكد التحاليل السطحية والتركيبية (EDS، GC، واختبارات الامتصاص) أن الأكسدة المحفَّزة بالنترات تُعطِّل فعالية المواقع التفاعلية في نظام Fe–S، وتمنع استمرار التفاعل بين البايرايت والهيدروجين، بما يجعل هذه المعالجة استراتيجية واعدة للحفاظ على نقاء الهيدروجين ورفع كفاءة التخزين الجوفي. أما الجزء الثاني من هذا البحث فيتناول سلوك انتشار الغازات في الصخور منخفضة النفاذية؛ إذ تمّ قياس كيفية انتشار الهيدروجين والميثان وثاني أكسيد الكربون عبر لُبّيات صناعية منخفضة النفاذية تحت ضغوط تماثل ظروف المكمن باستخدام تقنية اضمحلال النبضة عالية الضغط (High-Pressure Pulse-Decay). وتُظهر معاملات الانتشار الفعّالة المقاسة عند درجات حرارة 25 و50 و60 °م اتجاهًا ثابتًا على النحو الآتي: H2 > CH4 >> CO2؛ حث يمتلك الهيدروجين أعلى قابلية للحركة، بينما يُظهر ثاني أكسيد الكربون أعلى قابلية للاحتجاز، مع ملاحظة سلوك من نوع أرهنيوس لجميع الغازات. وتبيّن نماذج التسرب المعتمدة على الانتشار أن الهيدروجين يمثّل أعلى مخاطر التسرب، يليه الميثان، في حين يُعد ثاني أكسيد الكربون الأبطأ انتشارًا، وتوفّر هذه النتائج مجتمعةً فهمًا أعمق لتفاعلات الهيدروجين مع المعادن، واستراتيجيات الحدّ من التفاعلات غير المرغوبة للحفاظ على نقاء الغاز، إلى جانب بيانات كمية ضرورية لتقييم الأداء طويل الأمد للتخزين الجوفي للهيدروجين

English Abstract

The growing urgency to mitigate climate change and the global shift toward low-carbon energy have increased interest in hydrogen as a clean energy carrier. Yet, the large-scale and long-term storage required for a hydrogen economy presents technical challenges, especially underground. Subsurface hydrogen storage is promising, but its success depends on maintaining gas purity and preventing unwanted chemical reactions. This research examines how pyrite-bearing formations influence hydrogen behavior and storage performance. Hydrogen-adsorption experiments on synthetic core samples show that pyrite-rich plugs store substantially more hydrogen about 28–100% higher uptake than pyrite-free cores across both silica- and carbonate-based matrices. However, GC analyses reveal that pyrite reacts with hydrogen to form H2S, indicating simultaneous risks of hydrogen loss, contamination, and reduced storage efficiency. These findings demonstrate that mineralogy plays a critical role in determining hydrogen storage safety and must be considered during site selection. To mitigate pyrite reactivity, this work explores the use of sodium nitrate (NaNO3) as an in-situ surface-modifying agent. During curing, NaNO3 oxidizes pyrite grain surfaces, producing an iron(III) oxyhydroxide and ferric-sulfate passivation layer. Experiments comparing treated and untreated samples show that nitrate-treated cores generate almost no detectable H2S, in contrast to the strong reactivity of untreated pyrite, which produced measurable H2S and visible pyrrhotite formation. Surface and compositional analyses (EDS, GC, and adsorption tests) confirm that the nitrate-induced oxidation effectively deactivates Fe–S reactive sites and prevents further reaction with hydrogen. A second part of this research investigates how hydrogen, methane, and carbon dioxide diffuse through synthetic low-permeability cores under reservoir-like pressures using a high-pressure pulse-decay method. Effective diffusivities measured at 25 °C, 50 °C, and 60 °C show a consistent trend of H2 > CH4 >> CO2, with hydrogen displaying the highest mobility and CO2 the strongest retention. Arrhenius behavior was observed for all gases. Diffusion-based leakage modeling further demonstrates that hydrogen poses the highest leakage risk, followed by methane, with carbon dioxide diffusing the slowest. Together, these findings provide new insights into hydrogen–mineral interactions, mitigation strategies for preserving gas purity, and quantitative diffusion data essential for assessing long-term subsurface hydrogen storage performance.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Committee Advisor:	Mahmoud, Mohamed
Committee Co-Advisor:	Kamal, Muhammad Shahzad
Committee Members:	Raza, Arshad
Depositing User:	MOHAMMED H SAIYED (g202390970)
Date Deposited:	18 Dec 2025 08:56
Last Modified:	18 Dec 2025 08:56
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143796