Jaunumi

21 starptautiskajā konferencē ECOBALT 21 par projekta rezultātiem ziņojumu sniedza L.Ansone Bērtiņa (līdzautori M.Kļaviņš, L.Arbidans, V.Ozols) par pētījumiem, kas veikti projekta aktivitātes 1.1. un 1.2. ietvaros. Tika demonstrētas oglekļa uztveršanas iespējas un dažādu pētīto materiālu izmantošanas iespējas.

Š. g. 21. jūnijā žurnālā “Energies” publicēts projekta komandas sagatavots raksts par oglekļa uzglabāšanas potenciālu Viduskembrija ūdens nesējslāņos Baltijas valstīs. Rakstā analizētas aktuālās Baltijas valstu CO2 emisijas no dažādiem tautsaimniecības sektoriem, kā arī veikta sauszemes un jūras ģeoloģisko struktūru analīze saistībā ar iespējām ilglaicīgi noglabāt CO2. Autori rekomendē paplašināt pētījumus CO2 saistīšanā, īpaši no tehnogēnajiem procesiem, kā arī oglekļa saistīšanas un uzglabāšanas tehnoloģiju tālāku izpēti.

Saite uz rakstu: https://www.mdpi.com/1996-1073/14/12/3681

Oglekļa dioksīds ir vitāli nepieciešams dzīvības uzturēšanai uz planētas, jo tas uztver un notur saules siltumu, un fotosintezējošie organismi to izmanto ogļhidrātu ražošanā, skābeklim veidojoties kā blakusproduktam. Tomēr, ja oglekļa dioksīda koncentrācija iziet ārpus līdzsvara, tad tas sāk apdraudēt klimatu un tā piemērotību dzīvībai.

Oglekļa dioksīda koncentrācija mūsdienu Zemes atmosfērā ir ap 419 ppm un tā pakāpeniski pieaug. Tiek lēsts, ka pirms industriālās revolūcijas (1760. gads) šīs siltumnīcas efektu izraisošās gāzes saturs bijis ap 270 ppm. Tādejādi CO₂ saturs atmosfērā pēdējo 260 gadu laikā ir audzis par vairāk nekā 30% un tas saistāms ar fosilā kurināmā izmantošanu un mežu izciršanu. Tai pat laikā, CO₂ koncentrācija atmosfērā ievērojami mainījusies arī laikā pirms cilvēces pirmsākumiem, piemēram, pagātnes nogulumu seržu analīze norāda, ka pirms 350 000 gadu CO₂ saturs bijis ap 300 ppm. Arī starp-ledus laikmetos un ledus laikmetos ir bijušas ļoti atšķirīgas CO₂ atmosfēriskās koncentrācijas. Tomēr CO₂ satura pieaugums mūsdienās ir cieši saistīts tieši ar cilvēka darbību un to nepieciešams ierobežot, lai stabilizētu klimatu.

Kā viens no risinājumiem CO₂ koncentrācijas pieauguma ierobežošanai ir tā uztveršana no emisijas avotiem pirms tas nonāk atmosfērā. CO₂ iespējams uztvert un noglabāt porainās pazemes struktūrās, ko pārsedz blīvi un kompakti nogulumi, kas spēj šo gāzi izolēt no apkārtējās vides. Viens no visperspektīvākajiem risinājumiem ir CO₂ noglabāšana pazemes ūdens nesējslāņos. Reakcijā starp oglekļa dioksīdu un sāļo ūdeni veidojas vāja karbonskābe, kas veicina mineralizāciju un veidojas karbonātu minerāli.

Latvijas ģeoloģiskā attīstība ir veicinājusi daudzu porainu pazemes struktūru veidošanos, kurās iespējams uzglabāt CO₂ līdzīgi kā dabasgāzi dabasgāzes krātuvēs. Ņemot vērā dažādo struktūru izmērus un tilpumu, CO₂ uzglabāšana Latvijā iespējama vismaz 17 dažāda izmēra struktūrās (1. attēls). 15 perspektīvas struktūras CO₂ uzglabāšanai ir izvietotas valsts sauszemes teritorijā, bet divas struktūras ir Baltijas Jūrā.

Sauszemes struktūras izvietotas galvenokārt valsts centrālajā un rietumu daļā, savukārt struktūras jūrā atrodas līdz 50 km attālumā no Liepājas ostas. Perspektīvās struktūras atrodas uz Liepājas-Saldus lūzuma zonas Kaledonijas struktūrkompleksā. Visperspektīvākās sauszemes struktūras CO₂ uzglabāšanai ieguļ no 700 līdz 1100 m dziļumā, to platība ir no 10 līdz 100 km², savukārt tilpums variē no 2 līdz 60 miljardiem m³.

Struktūras CO₂ uzglabāšanai ir Kembrija sistēmas nogulumi, kas atrodas Baltijas artēziskā baseina teritorijā (2. attēls). Latvijas teritorijā Kembrija nogulumus biezā slānī pārsedz jaunāki nogulumi (Ordoviks, Silūrs, Devons un Kvartārs, vietām arī Karbons, Perms, Triass, Jura un Krīts), kas darbojas kā dabiska izolācija perspektīvajām CO₂ krātuvēm. Kembrija sistēmu Latvijas teritorijā veido dažādi terigēnas izcelsmes nogulumi, tādi kā smilšakmens, smilts, aleirolīts, māls un argilīts.

Vēl pirms desmit gadiem CO₂ sūknēšana un uzglabāšana pazemes struktūrās bija ļoti dārgs risinājums, bet straujā mūsdienu tehnoloģiskā attīstība un CO₂ emisiju izmaksu pieaugšana jau šodien padara CO₂ uzglabāšanu pazemes struktūrās par ekonomiski pamatotu un izdevīgu risinājumu, kas nākotnē tikai pieaugs.

Aprēķinātā kapacitāte CO₂ uzglabāšanai Latvijas sauszemes struktūrās ir 404 Mt, savukārt jūrā tās ir 167 Mt (3. attēls). Tomēr šie aprēķini ir novecojuši un balstīti uz ļoti vispārīgu informāciju ar zemu detalitātes pakāpi un reālā uzglabāšanas kapacitāte ievērojami pārsniedz šo apjomu, – pēc mūsu optimistiskiem aprēķiniem tās ir līdz 1000 Mt. Tādēļ projekta dalībnieki uzskata, ka ir nepieciešama detalizēta un individuāla šo pazemes struktūru izpēte, vēl jo vairāk tādēļ, ka Latvija ir vienīgā no Baltijas valstīm, kur lokalizētas perspektīvas pazemes struktūras CO₂ uzglabāšanai.

Pētītas 3 dažādas metālorganiskās struktūras (MOF), kā arī litija silikāti.

Metālorganiskās struktūras (MOS (angļu val. MOF) ir savienojumu klase, kuras pamatā ir metāla joni, kas saistīti ar organiskiem ligandiem, lai veidotu vienu-, divu- vai trīsdimensionālas struktūras. Pie tam šo savienojumu raksturīga iezīme ir porainība.

Pēc zinātniskās literatūras rakstiem sintezētas 3 MOS: CuBTC, UTSA-16 un UiO-66(zr)-(COOH)₂, kā arī veikti šo MOS imobilizācijas priekš mēģinājumi uz montmorilonīta un aerosila.

MOS sintēzei izmantotas atšķirīgas sintēzes metodes, piemēram, CuBTC sintēze veikta, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu, UTSA-16 sintēze veikta, izmantojot hidrotermālos reakcijas apstākļus noslēgtā teflona kapsulā, paaugstinātā temperatūrā, savukārt UiO-66(zr)-(COOH)₂ sintēze veikta pēc tradicionālās sintēzes metodes, karsējot reakcijas maisījumu apaļkolbā uz laboratorijas plītiņas zem atteces dzesinātāja.

MOS imobilizācija veikta, izmantojot atbilstošās MOS sintēžu metodes, taču papildus pievienojot potenciālo MOS nesēju – mālus vai aerosilu. Laboratorijā iegūtie savienojumi vizuāli neatšķiras no zinātniskajā literatūrā publicētajiem attēliem, savukārt MOS imobilizējot uz nesēja, iegūtā produkta krāsas intensitāte samazinās – CuBTC+Mt, kā arī UTSA-16+Mt, UTSA-16+Aerosils novērojama blāvāka tumši zilā un violetā krāsa attiecīgi, savukārt UiO-66(zr)-(COOH)₂+Mt, raksturīga viegli pelēcīga nokrāsa. Pārbaudot materiālu spēju sorbēt oglekļa dioksīdu, secināms, ka imobilizētajiem materiāliem tā ir zemāka, vismazākā atšķirība ir UiO-66(zr)-(COOH)₂ un UiO-66(zr)-(COOH)₂+Mt paraugiem. Turpināti tiek MOS sintēzes optimizācijas pētījumi, tiks veikta iegūto materiālu raksturošana un pētīta oglekļa dioksīda sorbcija.

Litija silikātu (Li₄SiO₄) saturošs sorbents gatavots pēc citrāta sol-gēl metodes, izmantojot LiNO₃ un Si(OC₂H₅)₄ kā Li un Si prekursorus ar Li:Si atomu attiecību 4:1. Litija silikātu imobilizē uz montmorilonīta vai keramzīta. Līdz šim iegūtie dati norāda uz augstu litija silikāta spēju sorbēt oglekļa dioksīdu, taču pēc imobilizēšanas materiālu sorbcijas spējas samazinās, turpinās metodes optimizēšana.

Viena no metodēm ar kuras palīdzību var aprakstīt porainu materiālu spēju adsorbēt oglekļa dioksīdu ir termogravimetrija. Metodes pamatā tiek pētīta materiāla masas izmaiņa atkarībā no temperatūras.

Paraugs tiek iesvērts porcelāna tīģelī un tiek uzsākta desorbcijas fāze.

Šajā fāzē inertas gāzes atmosfērā paraugs tiek sakarsēts līdz vēlamajai temperatūrai, kur tas tiek atbrīvots no apkārtējā vidē uzņemtajiem gaistošajiem savienojumiem – ūdens tvaikiem un citām gāzēm. Augstas temperatūras sorbcijas gadījumā desorbcija notiek pie 750 °C, bet zemas – 150 °C. Kad temperatūra sasniegta, tiek uzsākta nākamā fāze – adsorbcija.

Adsorbcijas fāze notiek ogļskābās gāzes atmosfērā. Šajā fāzē parauga masa pieaug, jo tas, temperatūrai pakāpeniski pazeminoties, adsorbē un absorbē oglekļa dioksīdu no apkārtējās vides. Noteiktā laikā un pie noteiktas temperatūras paraugs ir uzņēmis maksimālo daudzumu ogļskābās gāzes. Augstas temperatūras sorbcijas gadījumā tas notiek pie apmēram 650 °C, bet zemas – pie 25 līdz 75 °C.

Adsorbcijas un desorbcijas temperatūras katram materiālam var būt dažādas.

Adsorbcijas un desorbcijas cikli tiek atkaroti. Tādējādi tiek aplūkota materiāla spēja atkārtoti uzņemt ogļskābo gāzi un kā tā ar laiku krītas.

Latvijas Universitāte ar Centrālo finanšu un līgumu administrāciju 2020. gada 1. oktobrī ir noslēgusi līgumu par zinātniski pētnieciskā projekta “Koncepcijas “enerģija no atkritumiem” inovācija zema oglekļa satura ekonomikai: jauna oglekļa uztveršanas tehnoloģija cieto sadzīves atkritumu termoķīmiskajai pārstrādei (oglekļa uztveršana un uzglabāšana no atkritumiem – CCSW)” realizāciju. Projekta ietvaros plānots pētīt CO2 sorbcijas iespējas un izstrādāt laboratorijas līmeņa prototipu šī uzdevuma veikšanai.

Lai koordinētu projekta uzsākšanu, kā arī noteiktu komandas galvenos uzdevumus, 2020. gada 7. oktobrī tika organizēta projekta uzsākšanas sanāksme, kurā piedalījās projekta pētnieki, zinātnes darbinieki, partneri un atbalstītāji. Sanāksmē tika prezentēta projekta ideja, galvenie veicamie uzdevumi, noteikti sākotnējie pētījumu virzieni, kā arī apskatīti citi ar projektu saistītie jautājumi.