Evaluation of Temperature Effects on Silica and Barium Sulphate Scale Formation in Geothermal Systems Using Geochemical Modelling and Experimental Analysis

Diese Masterarbeit untersucht den Einfluss der Temperatur auf die Bildung von Siliziumdioxid- (SiO¿) und Bariumsulfat- (BaSO¿) Ablagerungen in geothermischen Systemen. Dazu wurde ein integrierter Ansatz verwendet, der geochemische Modellierung mit PHREEQC, statische Fällungsexperimente, dynamische Core-Flood-Versuche, Tube-Blocking-Experimente sowie Feststoffcharakterisierung kombiniert. Ziel war es, die Aussagekraft und Grenzen thermodynamischer Modellierung zu bewerten, indem PHREEQC-Ergebnisse mit experimentell beobachteter Fällungskinetik, wässriger Konzentrationsabnahme, zurückgewonnener Feststoffmasse, Ablagerungsmorphologie und hydraulischer Beeinträchtigung verglichen wurden. Für das Siliziumdioxidsystem zeigte PHREEQC, dass die untersuchten Lösungen thermodynamisch zur Fällung von Siliziumdioxidphasen neigten. Die berechneten Gleichgewichts-Fällungspotenziale betrugen 0,488 g als SiO¿ bei 25 °C und 0,412 g als SiO¿ bei 85 °C. Diese Werte lagen unter den experimentell zurückgewonnenen Trockenmassen von 1,5049 g bzw. 1,275 g, was darauf hinweist, dass die Feststoffe nicht ausschließlich aus der modellierten Gleichgewichtsphase bestanden, sondern auch amorphe oder schwach kristalline, siliziumdioxidreiche Aggregate sowie solestammende Rückstände enthielten. Die aus der ICP-OES-Analyse abgeleitete wässrige Massenbilanz bestätigte eine deutliche Entfernung von gelöstem Silizium, entsprechend 1,24 g als SiO¿ bei 25 °C und 1,068 g als SiO¿ bei 85 °C. Die zeitabhängigen Ergebnisse zeigten, dass die Siliziumdioxidfällung durch kinetische und kolloidale Prozesse gesteuert wurde. Bei 85 °C erfolgte die Entfernung schnell und stabilisierte sich früh, während sie bei 25 °C langsamer, aber anhaltender verlief. Dies führte zu einer höheren Endmasse und zu einer stärkeren scheinbaren Anpassung an ein Modell erster Ordnung (R² = 0,9675). Eine erhöhte Magnesiumkonzentration bei 25 °C steigerte die zurückgewonnene Masse auf 1,61 g, was auf einen Einfluss von Mg²¿ auf Polymerisation, Kolloiddestabilisierung oder Aggregation hinweist. Für das Bariumsulfatsystem sagte PHREEQC eine starke Übersättigung in Bezug auf Baryt voraus (SI = 3,31), was auf eine hohe Fällungsneigung von BaSO¿ nach dem Mischen barium- und sulfatreicher Solen hinweist. Die statischen Versuche bestätigten dies, da die gelöste Ba²¿-Konzentration laut ICP-OES rasch auf sehr niedrige Werte abnahm. Die von PHREEQC vorhergesagten Gleichgewichtsmassen betrugen 0,237 g bei 25 °C und 0,236 g bei 85 °C, während die experimentell zurückgewonnenen Trockenmassen 0,2905 g bzw. 0,2398 g erreichten. Die gute Übereinstimmung, besonders bei 85 °C, zeigt, dass PHREEQC das Gleichgewichts-Fällungspotenzial von Baryt gut beschreiben konnte. Die höhere Masse bei 25 °C kann durch Restssalze, Nebenphasen oder strontiumhaltigen Baryt erklärt werden. Die dynamischen Tube-Blocking-Versuche zeigten, dass BaSO¿-Ablagerung unter Strömungsbedingungen nicht nur durch Übersättigung, sondern auch durch Stofftransport, Kristallwachstum und Oberflächenanlagerung bestimmt wird. Die Ablagerungsrate stieg von 7,37 × 10¿¿ g/min bei 25 °C auf 1,48 × 10¿³ g/min bei 60 °C, was auf erhöhte Ionenmobilität und stärkere Anlagerung bei höherer Temperatur hinweist. Die scheinbaren Damköhler-Zahlen zeigten zudem, dass die Barium-Entfernung im Vergleich zur kurzen Verweilzeit in der Kapillare schnell erfolgte. Die dynamischen Core-Flood-Versuche mit Siliziumdioxid zeigten, dass die Temperatur sowohl Verstopfungskinetik als auch Ablagerungsmorphologie beeinflusste. Während 80 °C zu einem schnelleren Verstopfungsbeginn führte, erzeugte 25 °C einen kompakteren Filterkuchen im Eintrittsbereich des Kerns und eine Permeabilitätsreduktion von 99,02 %. Dies zeigt, dass hydraulische Schädigung nicht nur von der Ablagerungsmenge, sondern auch von Struktur und Lage der Ablagerung im Porenraum abhängt. Insgesamt zeigt