Pełna nazwa: Sposób odsalania wysoko zmineralizowanych roztworów wodnych do oznaczania stosunków izotopowych 18O/16O i 2H/1H w wodach podziemnych

Zespół
dr Adam Porowski

Istota wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób odsalania wysoko zmineralizowanych roztworów wodnych w celu precyzyjnego oznaczania składu izotopowego O i H w wodzie, zwłaszcza do zastosowań w geologii, hydrogeologii, geotermii, środowisku.

Oznaczenia składu izotopowego tlenu (δ18O) i wodoru (δ2H) w wodach są obecnie podstawowym narzędziem pozwalającym na określenie pochodzenia wszelkiego rodzaju wód podziemnych i powierzchniowych, dróg ich krążenia w środowisku geologicznym i całej hydrosferze, procesów mieszania się wód i oddziaływania ze skałami, itp. Około 50% całkowitej objętość wód podziemnych w skorupie ziemskiej występuje na głębokościach >1 km, gdzie praktycznie występują tylko wody słone i solanki. Aktywność górnicza, poszukiwanie i eksploatacja węglowodorów, poszukiwanie i zagospodarowanie zasobów wód geotermalnych to tylko niektóre przykłady codziennej działalności człowieka, w której stykamy się z silnie zasolonymi wodami. Poznanie geochemii i pochodzenia tych wód ma duże znaczenie zarówno naukowe jak i przemysłowe, i wiąże się nieodzownie z koniecznością dokładnego określenia ich składu izotopowego.

Rutynowe techniki preparacji wody do spektrometrycznych oznaczeń izotopowych polegają na: (i) równoważeniu wody z gazowym CO2 w przypadku oznaczania składu izotopowego O w wodzie; (ii) redukcji wody na gorącym metalu (np. uranie, chromie, cynku) do gazowego H2 w przypadku oznaczania składu izotopowego H w wodzie. Prawidłowe i precyzyjne oznaczenie składu izotopowego O i H w wodach silnie zmineralizowanych (TDS >35 g/L) przy pomocy rutynowych metod jest do dnia dzisiejszego problematyczne i/lub w wielu przypadkach niemożliwe tak pod względem analitycznym jak i technicznym.

Przedmiotem wynalazku jest nowa metoda odsalania wysoko zmineralizowanych roztworów wodnych, która umożliwia zastosowanie rutynowych metod analizy izotopowej do precyzyjnego oznaczania składu izotopowego różnego rodzaju naturalnie występujących solanek.

Nowa metoda odsalania sprowadza się do chemicznego wytrącenia z zasolonego roztworu jonów Ca i Mg w formie bezwodnych fluorków, a następnie przeprowadzenia próżniowej destylacji w celu całkowitej ekstrakcji wody z osadów bez frakcjonowania izotopowego O i H. Technicznie, sposób jest dwuetapowy. Etap I – chemiczna konwersja i wytrącanie: do badanej próbki wody zasolonej dodaje się stechiometryczną ilość AgF w celu przeprowadzenia chemicznej konwersji soli Ca i Mg z ich naturalnej formy, zwykle chlorkowej (bardzo dobrze rozpuszczalnej, silnie higroskopijnej) do formy fluorkowej – nierozpuszczalnej, bezwodnej, niehigroskopijnej; pozytywnym procesem towarzyszącym jest wytrącenie bezwodnego AgCl. Etap II – próżniowa destylacja i dehydratacja osadów soli: próbkę poddaje się destylacji próżniowej z prażeniem osadów soli w temperaturze 250 - 350oC w czasie od 1 do 4 h.

Otrzymaną odsoloną (oddestylowaną) wodę można poddawać oznaczeniom składu izotopowego O i H dowolną ze znanych metod analiz izotopowych.

Innowacyjność i znaczenie proponowanej metody odsalania wynika z trzech zasadniczych elementów: (a) sposobu chemicznej eliminacji Ca i Mg z roztworu wodnego w formie nierozpuszczalnych, bezwodnych i niehigroskopijnych fluorków – co ma decydujące znaczenia dla procesu destylacji; (b) po raz pierwszy całkowicie i kompleksowo zostaje rozwiązany problem tzw. izotopowych efektów zasolenia przy oznaczaniu składu izotopowego wód silnie zmineralizowanych; (c) metoda pozwala wykorzystywać rutynowe (standardowe) techniki analizy izotopowej do precyzyjnego oznaczania składu izotopowego solanek – co było dotychczas niemożliwe.

Potencjał komercjalizacji

Proponowana nowa metoda odsalania wód przeznaczona jest do stosowania w różnego rodzaju naukowych i komercyjnych laboratoriach zajmujących się specjalistycznymi analizami izotopowymi wód słonych i solanek. Popyt na takie specjalistyczne oznaczenia istnieje w Polsce i za granicą w obszarze badań naukowych i badań przemysłowych dla górnictwa, geotermii, przemysłu naftowego (w tym związanego z poszukiwaniem i wydobyciem gazu z łupków), hydrogeologii, ekologii i ochrony środowiska.

Proponowana metoda posiada znaczny potencjał komercjalizacyjny przy spełnieniu następujących warunków: (a) powiązanie z automatycznymi peryferyjnymi systemami preparacji wód do spektrometrycznych oznaczeń izotopowych O i H w wodzie (w tym np. budowa i wprowadzenie na rynek specjalnego systemu z odsalaniem wody), (b) wprowadzeniu optymalizacji w obszarach: (i) zastosowania fluorków tańszych niż AgF, (ii) zbadania konieczności stosowania próżniowej destylacji, (iii) opracowania zautomatyzowanej formy i sposobu wprowadzania reagentu fluorkowego i ekstrakcji odsolonej wody.