Assessing Electrical Conductivity and Total Alkalinity for Carbon Accounting in Enhanced Rock Weathering Applications

Abstract

Enhanced rock weathering (ERW) is an emerging carbon dioxide removal (CDR) strategy that has attracted increasing attention, with a growing number of publications since 2020. The approach aims to accelerate the natural weathering of silicate rocks to enhance alkalinity generation and thereby remove atmospheric carbon dioxide (CO2). ERW is considered a promising CDR approach because it is scalable, cost-effective, and compatible with existing agricultural practices, enabling its deployment on croplands without direct competition for land use. However, a major challenge for the broader implementation of ERW remains the reliable quantification of CO2 removal.

This thesis aims to improve the understanding of how CO2 removal by ERW can be quantified across different environmental and experimental settings. In particular, it investigates the interpretation of total alkalinity (TA) and its individual components, with a focus on the contribution of non-carbonate alkalinity (ANC) in different aqueous systems. Furthermore, the thesis examines the influence of microorganisms on mineral weathering and evaluates whether the electrical conductivity (EC) of bulk soil or aqueous solutions can serve as a proxy for TA across different environments.

To address these questions, data from several experimental setups were analyzed, including controlled soil reaction experiments, crushed rock column experiments, and controlled flow-through rock weathering reactors. The soil experiments investigated whether bulk soil electrical conductivity (ECb) can be used to predict TA in soil pore water. The crushed rock column experiments with organic amendments were used to quantify the contribution of non-carbonate alkalinity (ANC) to TA in relation to dissolved organic carbon (DOC) and to assess the impact of microorganisms and organic matter additions on TA generation. Finally, a flow-through reactor experiment was conducted to test whether the EC of leachate water can be used as a predictor for its TA and the corresponding CO2 uptake. While this reactor system differs from cropland-based ERW applications, it enables the isolation and investigation of the EC–TA relationship generated solely by rock feedstock dissolution under controlled conditions. Analyzing these fundamental relationships in isolated experiments provides a reference framework that can support the interpretation and quantification of ERW processes in more complex soil environments.

This thesis demonstrates that bulk soil electrical conductivity (ECb) is not a reliable predictor of pore water total alkalinity (TA). Even pore water EC alone is insufficient, as numerous processes in soils introduce additional ions that affect EC without contributing to TA. The presence of such non-alkalinity-contributing anions would require extensive corrections, limiting the applicability of EC-based TA estimates in ERW field systems. The crushed-rock column experiment further showed that organic amendments can contribute to measured TA through the release of organic alkalinity, i.e., the conjugate bases of low-molecular-weight organic acids (e.g., acetate, oxalate, citrate) that can contribute to the TA. In DOC-rich systems, this fraction may represent a substantial component of the TA signal. In contrast, the isolated rock dissolution reactor experiment demonstrated a successful use case for rapid and non-destructive EC measurements as a predictor of TA. The reactor experiment demonstrated that, under controlled soil-free conditions with a forsterite-rich rock substrate, EC measurements can provide a robust predictor of TA through a well-defined EC–TA calibration.

For ERW applications in croplands, EC-based prediction of TA may be possible if, after an initial calibration phase, only ions released from the applied rock feedstock contribute to the soil pore water EC. Under such conditions, increases in EC would primarily reflect feedstock dissolution and associated TA generation. However, plant activity and common agricultural practices such as organic or mineral fertilization or mulching introduce additional ions that influence EC but alter TA independently of the EC–TA relationship associated with rock feedstock dissolution. As a result, the EC–TA relationship would require repeated recalibration, which again needs direct TA measurements. This requirement represents a major obstacle for the practical application of EC-based TA prediction in ERW cropland systems.

Die beschleunigte Verwitterung (Enhanced Rock Weathering, ERW) ist ein neues Verfahren zur Kohlendioxid (CO2) Entnahme (Carbon Dioxide Removal, CDR), das in den letzten sechs Jahren mit zunehmender Zahl an Veröffentlichungen zunehmend Aufmerksamkeit erlangt hat. Der Ansatz zielt darauf ab, die natürliche Verwitterung von Silikatgestein zu beschleunigen, um die Alkalinitätsbildung zu fördern und dadurch CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen. ERW gilt als vielversprechender CDR-Ansatz, da er skalierbar, kostengünstig und mit bestehenden landwirtschaftlichen Praktiken kompatibel ist, sodass er auf Ackerflächen eingesetzt werden kann, ohne dass es zu einer direkten Konkurrenz um die Landnutzung kommt. Eine große Herausforderung für die breitere Umsetzung von ERW bleibt jedoch die zuverlässige Quantifizierung der CO2-Entfernung.

Diese Arbeit zielt darauf ab, das Verständnis dafür zu verbessern, wie die CO2-Entfernung durch ERW unter verschiedenen Umwelt- und Versuchsbedingungen quantifiziert werden kann. Insbesondere untersucht sie die Interpretation der Gesamtalkalinität (TA) und ihrer Komponenten, wobei der Schwerpunkt auf dem Beitrag der Nicht-Karbonat-Alkalinität (ANC) in verschiedenen wässrigen Systemen liegt. Darüber hinaus untersucht die Arbeit den Einfluss von Mikroorganismen auf die Verwitterung und bewertet, ob die elektrische Leitfähigkeit (EC) des gesamten Bodens oder des Boden-Porenwassers als Ersatz für die TA in verschiedenen Umgebungen dienen kann.

Um diese Fragen zu beantworten, wurden Daten aus mehreren Versuchsanordnungen analysiert. Dazu gehören kontrollierte Bodenreaktionsexperimente, Säulenexperimente mit zerkleinertem Gestein sowie kontrollierte Reaktoren zur Untersuchung der Gesteinsverwitterung. In den Bodenexperimenten wurde untersucht, ob die elektrische Leitfähigkeit des Bodens (ECb) zur Vorhersage der TA im Bodenporenwasser herangezogen werden kann. Die Gesteinssäulenexperimente mit organischen Zusätzen dienten dazu, den Beitrag der ANC zur TA in Bezug auf gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) zu quantifizieren und den Einfluss von Mikroorganismen und organischer Substanz auf die Alkalinitätsbildung zu bewerten. Schließlich wurden Reaktor-Experimente durchgeführt, um zu testen, ob die elektrische Leitfähigkeit von Sickerwasser als Prädiktor für dessen TA und die entsprechende CO2-Aufnahme verwendet werden kann. Obwohl dieses Reaktorsystem von typischen ERW-Anwendungen auf Ackerflächen abweicht, ermöglicht es die Isolierung und Untersuchung der EC–TA Beziehung, ausschließlich für das Gesteinssubstrat. Die Untersuchung dieser grundlegenden Beziehungen liefert ein wichtiges Verständnis, das die Interpretation und Quantifizierung von ERW-Prozessen in komplexeren Bodenumgebungen unterstützen kann.

Diese Arbeit zeigt, dass die elektrische Leitfähigkeit des Bodens (ECb) kein zuverlässiger Prädiktor für die TA des Porenwassers ist. Selbst die elektrische Leitfähigkeit des Porenwassers allein ist unzureichend, da zahlreiche relevante Prozesse im Boden zusätzliche Ionen einbringen, die die elektrische Leitfähigkeit erhöhen, ohne zur TA beizutragen. Das Vorhandensein solcher Anionen, die nicht zur Alkalinität beitragen, würde umfangreiche Korrekturen erfordern und damit die Anwendbarkeit EC-basierter Vorhersagen der TA in ERW-Feldsystemen einschränken. Das Säulenexperiment zeigte ferner, dass organische Zusätze durch die Freisetzung organischer Alkalinität, d. h. der konjugierten Basen organischer Säuren (z. B. Acetat, Oxalat, Citrat), die zur gemessenen TA beitragen können. In DOC-reichen Systemen kann dieser Anteil einen wesentlichen Bestandteil des gesamten Alkalinitätssignals ausmachen. Im Gegensatz dazu zeigte das kontrollierte Reaktorexperiment einen erfolgreichen Anwendungsfall für schnelle und zerstörungsfreie EC-Messungen als Prädiktor für TA. Das kontrollierte Reaktorexperiment zeigte, dass unter kontrollierten bodenfreien Bedingungen mit einem Forsterit-reichen Gesteinssubstrat EC-Messungen durch eine genau definierte EC–TA-Kalibrierung einen robusten Prädiktor für TA liefern können.

Für ERW-Anwendungen auf Ackerflächen ist eine auf der EC basierende Vorhersage der TA möglich, wenn nach einer anfänglichen Kalibrierungsphase nur Ionen, die aus dem ausgebrachten Gestein freigesetzt werden, zur elektrischen Leitfähigkeit des Bodenporenwassers beitragen. Unter solchen Bedingungen würde ein Anstieg der EC die Auflösung des Gesteins sowie die damit verbundene TA-Bildung widerspiegeln. Pflanzenaktivität und gängige landwirtschaftliche Praktiken wie organische oder mineralische Düngung oder Mulchen führen jedoch zu zusätzlichen Ionen, die die EC beeinflussen, die TA jedoch unabhängig von der Beziehung zwischen EC und TA des Gesteins verändern. Infolgedessen würde die Beziehung zwischen EC und TA eine wiederholte Neukalibrierung erfordern, was wiederum direkte TA-Messungen erforderlich machen würde. Diese Anforderung stellt ein großes Hindernis für die praktische Anwendung der EC-basierten TA-Vorhersage in ERW-Ackerböden dar.