Costa, Laila (2026) Carbon Utilization Through Co₂ Mineralization: Modulating Caco₃ Crystal Morphology in Produced Water. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis_Final_ Laila Costa.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 16 August 2027. Download (6MB)

Arabic Abstract

يتطلب تحقيق الحياد الصفري للانبعاثات تطوير استراتيجيات تجمع بين خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وإعادة استخدام مخلفات العمليات الصناعية .وتُعد المياه المنتجة، وهي أحد أكبر النواتج الثانوية لصناعة النفط والغاز، من المخلفات التي غالبًا ما تُعامل على أنها نفايات بسبب ملوحتها العالية وتركيبها الكيميائي المعقد .ومع ذلك، فإن احتواءها على أيونات ذائبة يجعلها موردًا واعدًا لاستخدام الكربون وتخزينه .تتناول هذه الرسالة دراسة التمعدن الكربوني خارج الموقع بوصفه مسارًا لتحويل ثاني أكسيد الكربون والأيونات المشتقة من المياه المنتجة إلى مواد صلبة مستقرة من بما يسهم في دعم مفهوم الاقتصاد الدائري للكربون من خلال الاستخدام المتزامن ،(CaCO₃) كربونات الكالسيوم .لثاني أكسيد الكربون، ومعالجة المياه المنتجة، وإنتاج مواد كربوناتية ذات قيمة تقيّم هذه الدراسة منهجين للتحكم في ترسيب كربونات الكالسيوم، وتعدد أشكالها البلورية، ومورفولوجيتها في أنظمة (Mg²⁺) والمغنيسيوم (Na⁺) المياه المنتجة الاصطناعية .في المنهج الأول، تمت دراسة تأثير أيوني الصوديوم المشتقين من المياه المنتجة باستخدام تراكيز مضبوطة تعادل 100 %و60 %و30 %من تراكيزهما في التركيب المعتمدة O Armogel المرجعي للمياه المنتجة .وفي المنهج الثاني، تم تقييم تأثير المادة الخافضة للتوتر السطحي على الأمينات عند تراكيز مختلفة أثناء عملية تمعدن ثاني أكسيد الكربون .وقد جرى توصيف المواد المترسبة باستخدام ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه ،(SEM) والمجهر الإلكتروني الماسح ،(XRD) حيود الأشعة السينية .بالإضافة إلى قياس كتلة الرواسب وتحليل توزيع أحجام الجسيمات ،(FTIR) أظهرت النتائج حدوث ترسيب لكربونات الكالسيوم تحت جميع الظروف التجريبية .ففي الأنظمة التي خضعت للتحكم في تركيز الأيونات، كان الكالسيت هو الطور البلوري السائد، في حين شجعت المياه المنتجة الاصطناعية الكاملة على تكوين الفاتيريت، كما أظهرت العينات المحتوية على المغنيسيوم ملامح طفيفة لأطوار شبيهة بالأراجونيت .وقد أثّر أيون الصوديوم بصورة رئيسية في مورفولوجية بلورات الكالسيت، بينما أدى أيون المغنيسيوم إلى تكوين مورفولوجيات مختلطة تجمع بين الكالسيت والبنى الشبيهة بالأراجونيت .أما في النظام المدعوم بالمادة الخافضة للتوتر السطحي، فقد إلى انتقال توزيع الأطوار البلورية من رواسب غنية بالفاتيريت والكالسيت إلى O Armogel أدى ازدياد تركيز .منتجات يهيمن عليها الأراجونيت، مع زيادة ملحوظة في كمية الرواسب المتكونة وبصورة عامة، تُظهر هذه الرسالة أن تركيب المياه المنتجة والمواد الخافضة للتوتر السطحي المعتمدة على الأمينات يمكن توظيفهما للتحكم في عملية تمعدن كربونات الكالسيوم، بما يدعم إعادة استخدام المياه المنتجة، واستخدام ثاني أكسيد الكربون وتخزينه، وتطوير مسارات أكثر استدامة تسهم في تحقيق الحياد الصفري للانبعاثات وتعزيز الإدارة .الدائرية للكربون

English Abstract

Achieving net-zero emissions requires strategies that combine CO₂ reduction with the reuse of industrial waste streams. Produced water (PW), one of the largest byproducts of oil and gas production, is commonly treated as a waste due to its high salinity and complex composition; however, its dissolved ionic content also makes it a potential resource for carbon utilization and storage. This thesis investigates ex-situ carbon mineralization as a route to convert CO₂ and PW-derived ions into stable CaCO₃ solids, contributing to a Circular Carbon Economy through simultaneous CO₂ utilization, produced water treatment, and carbonate material generation. The study evaluates two approaches to modulate CaCO₃ precipitation, polymorphism, and morphology in synthetic PW systems. First, the effects of PW-derived Na⁺ and Mg²⁺ were investigated using controlled concentrations corresponding to 100%, 60%, and 30% of their levels in the reference PW composition. Second, the role of the amine-based surfactant Armogel O was assessed at different concentrations during CO₂ mineralization. The precipitated materials were characterized using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, precipitate weight measurements, and particle size analysis, with Fourier-transform infrared spectroscopy additionally applied to the surfactant-assisted samples. CaCO₃ precipitation occurred under all experimental conditions. In the ion-controlled systems, calcite was the dominant polymorph, while complete synthetic PW favored vaterite formation and Mg-containing samples showed minor aragonite-like features. Na⁺ mainly modified calcite morphology, whereas Mg²⁺ promoted mixed calcite/aragonite-like morphologies. In the surfactant-assisted system, increasing Armogel O concentration shifted the polymorph distribution from vaterite/calcite-rich precipitates toward aragonite-dominated products and increased precipitation yield. Overall, this thesis demonstrates that PW composition and amine-based surfactants can be used to tune CaCO₃ mineralization, supporting produced water reuse, CO₂ utilization and storage, and the development of more sustainable pathways toward net-zero and circular carbon management

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Environmental Earth Sciences Research Petroleum
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Thesis Advisor:	Abdullah Al-shuhail,
Thesis Committee Members:	Safwat Abdellatif, Ahmed Yaseri,
Depositing User:	LAILA COSTA
Date Deposited:	17 Aug 2026 10:44
Last Modified:	17 Aug 2026 10:44
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144708