Aktualności

Wbrew pozorom to nie węglowodory są produktem, który wydobywa się na powierzchnię w największej ilości ze złóż ropy naftowej i gazu ziemnego. Przeważnie szacuje się, że na 1 m³  ropy naftowej przypada do 3 m³ solanki. W miarę eksploatacji złoża, udział wody w bilansie wydobycia wzrasta do tego stopnia, że staje się ona praktycznie jedynym produktem. Taka solanka w najlepszym razie zatłaczana jest z powrotem do złoża, gdzie tłokowo wypiera ropę czy gaz na powierzchnię. Jak już jednak wspomnieliśmy, proces ten nie może trwać w nieskończoność i biznes nastawiony na wydobycie węglowodorów prędzej czy później przestaje się opłacać. Tymczasem sama woda złożowa również może być źródłem cennych dla przemysłu pierwiastków, jeśli tylko odpowiednio się ją zagospodaruje. Zważywszy na fakt, że świat odchodzi od paliw kopalnych na rzecz niskoemisyjnych źródeł energii, mogłoby to wręcz dać starym odwiertom drugie życie. Taki cel stawiają sobie m.in. inżynierowie z Wydziału Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, którzy zaangażowani są w projekt „CompLithium – technologia kompleksowego odzysku litu i wody użytkowej z odpadowych wód złożowych”. Ich inicjatywa otrzymała dofinansowanie w wysokości 1,5 mln zł od Narodowego Centrum Badań i Rozwoju z programu LIDER.

Pozyskiwanie litu i jego zastosowania

Lit to cenny metal, który znajduje zastosowanie w przemyśle np. do produkcji smarów, szkła i ceramiki, a także jako składnik stopów wykorzystywanych w lotnictwie i kosmonautyce. Jest również wykorzystywany w akumulatorach litowo-jonowych, w które wyposażone są laptopy, smartfony oraz inne przenośne urządzenia elektroniczne. Akumulatory litowo-jonowe coraz częstsze zastosowanie znajdują również w samochodach elektrycznych oraz hybrydowych, a także innych pojazdach napędzanych silnikami elektrycznymi. Należy się więc spodziewać, że wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na przyjazne dla środowiska środki transportu, popyt na ten cenny pierwiastek będzie wzrastać.

Lit nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym, tylko najczęściej w postaci soli. Najwięksi na świecie producenci tego pierwiastka, należą do nich m.in. Argentyna i Chile – gdzie podziemne solanki zawierają bardzo duże stężenia litu – do jego pozyskania wykorzystują prostą technologię. Solanki po wydostaniu się pod wpływem ciśnienia na powierzchnię tworzą ogromne baseny, z których na skutek działania ciepła woda odparowuje. Z zagęszczonej w ten sposób solanki, wykorzystując różne techniki strąceniowe, pozyskuje się sole litu. Wadą tego rozwiązania jest fakt, że zachowanie ciągłej produkcji możliwe jest jedynie w regionach o ciepłym klimacie. Co więcej, sole litu nie są jedynym stałym produktem tego procesu. W efekcie tworzą się solne pustynie, co w krajach takich jak Polska jest nieakceptowalne ze względów środowiskowych. Dlatego na świecie do pozyskiwania litu z solanek wykorzystuje się również membrany nanofiltracyjne oraz sorbenty, które w dużym uproszczeniu można porównać do gąbek selektywnie chłonących ten pierwiastek. Opracowanie takiego innowacyjnego sorbentu na bazie tlenków glinu i tytanu, który wychwytywałby lit z poprocesowych wód złożowych, to jeden z najważniejszych celów projektu „CompLithium”.

Innowacyjny sorbent preparowany przy użyciu druku 3D

Dr inż. Ewa Knapik, kierownik projektu, tłumaczy: – Sorbenty dotychczas opisane w literaturze mają postać proszków, które trudno wykorzystać na dużą skalę ze względów operacyjnych. Nasze sorbenty będą preparowane metodą druku 3D, po to żeby wytworzyć przestrzenne kształtki o rozbudowanej porowatości. Będą mogły być one regularnie wysypywane w kolumnach sorpcyjnych, gdzie będzie stale przepływała solanka. Tutaj szalenie ważna jest selektywność, albowiem jony litowe są małe i bardzo trudno oddzielić je od pozostałych, zwłaszcza, że podobne wymiary mają jony magnezu. Musimy w związku z tym wykorzystać zjawisko interkalacji. Sorbenty mają specyficzną budowę warstwową, gdzie jony litu ściśle wpasowują się w luki ich sieci krystalicznej. Później lit jest wymywany odpowiednim roztworem.

Aparatura do odzysku litu i wody słodkiej z solanki

Naukowcy planują, że kolumny sorpcyjne będą elementem nowatorskiej, kompleksowej aparatury, która mogłaby zostać zainstalowana w zakładach wydobycia ropy i gazu ziemnego. W ramach jednego procesu odzyskiwała by ona z solanki lit oraz słodką wodę, którą będzie można później wykorzystać np. do nawadniania okolicznych upraw albo do produkcji pary w zakładzie. Do odsalania solanki uczeni z AGH zamierzają wykorzystać membrany nanofiltracyjne modyfikowane eterami koronowymi, które pozwolą dodatkowo na wychwyt resztkowego litu, który nie został wcześniej odzyskany w kolumnach sorpcyjnych. Instalacje, które są obecnie wykorzystywane na świecie, potrafią odzyskiwać z solanki lit albo słodką wodę, ale nie spełniają tych dwóch funkcji jednocześnie. Ich połączenie w ramach jednego procesu będzie więc miało zupełnie innowacyjny charakter.

 

Schemat instalacji do odzysku litu i wody słodkiej z wód złożowych, źródło: materiały projektu „CompLithium”

– Pierwszy etap pracy instalacji to wstępne uzdatnianie, czyli koagulacja i filtracja – tłumaczy schemat działania planowanego procesu dr inż. Knapik. – Solanka, która jest wydobywana ze złoża, zawiera ropopochodne, cząstki stałe i rozpuszczone gazy. Wszystkie zanieczyszczenia trzeba usunąć, aby nie uszkodziły naszego modułu sorpcyjnego i membran. Drugi etap to kolumny sorpcyjne dedykowane wprost do odzysku litu. Te kolumny zawsze pracują w układzie podwójnym, bo kiedy jedna wychwytuje lit, druga jest w tym czasie regenerowana – to znaczy pierwiastek jest w tym czasie z niej z wypłukiwany. Kolejny etap to odsalanie za pomocą membran. Wskutek tego zawsze powstają dwa strumienie: wody słodkiej i zatężonej solanki. Ta ostatnia będzie w naszej technologii powrotnie tłoczona do złoża. Dużą zaletą proponowanej technologii jest właśnie to, że jest bezodpadowa.

Uczeni z AGH planują prowadzić badania wytworzonych materiałów w laboratorium, gdzie odwzorują z dużą wiernością realne warunki. – Stosując narzędzia inżynierii procesowej, zostaną wykonane obliczenia bilansowe dla instalacji pracującej w warunkach rzeczywistych. Istnieje cała teoria powiększania skali procesu i aparatury. Jeżeli testy przebiegną pomyślnie w kolumnie, która ma jeden metr wysokości, jesteśmy w stanie przeliczyć to na kolumnę pięciometrową. Ważne, żeby zachować właściwy reżim operacyjny, to znaczy zapewnić między innymi właściwy surowiec, ciśnienie operacyjne odpowiadające rzeczywistej instalacji i odpowiednią prędkość przepływu (wpływa ona na czas kontaktu z sorbentem, czyli efektywność sorpcji). Jeżeli chodzi o regenerację sorbentu, należy dobrać właściwy skład cieczy przemywającej – wyjaśnia dr inż. Knapik.

Ile litu zawierają wody złożowe w Polsce?

Żeby instalacja aparatury miała sens ekonomiczny, wody złożowe muszą zawierać odpowiednio wysokie stężenie pierwiastka. Według szacunków Polskiego Instytutu Geologicznego, perspektywiczne mogą być w tym względzie solanki zawierające co najmniej 10 mg litu na 1 litr wody. Dlatego ważnym celem projektu „CompLithium”, oprócz opracowania technologii odzyskiwania pierwiastka, jest również przebadanie pod kątem jego występowania krajowych solanek, co ma uzupełnić istniejący obecnie niedostatek wiedzy w tym zakresie.

– Będziemy pobierać próbki z różnych złóż, żeby uzyskać odpowiedź na pytanie, jak dużo litu się w nich znajduje. Mamy już pierwsze sygnały, że istnieje kilka perspektywicznych lokalizacji, gdzie stężenie pierwiastka jest podwyższone. Dużo tych złóż jest na Niżu Polskim, gdzie wody wykazują wysoką mineralizację. Jeżeli zawierają dużo różnych soli, istnieje szansa, że będą to też sole litu. W Niemczech znajdują się podobne formacje geologiczne, gdzie stwierdzono podwyższony poziom zawartości tego pierwiastka. Powstał nawet start-up, który chce odzyskiwać go z wód geotermalnych – opowiada kierownik projektu „CompLithium”.

Obok zebrania danych, naukowcy z AGH chcą również stworzyć użyteczną aplikację, która pozwoli przy użyciu obiektywnych kryteriów ocenić, czy odzysk litu w danej lokalizacji będzie opłacalny dla potencjalnego inwestora. Oprócz stężenia samego pierwiastka, uwzględni ona m.in. takie aspekty jak ilość wydobywanej wody, ciśnienie w danym złożu czy obecność innych jonów. – Narzędzie będzie oferowane jako produkt handlowy, który po drobnych modyfikacjach posłuży też do typowania najbardziej magnezonośnych albo potasonośnych solanek – deklaruje dr inż. Knapik.

Interdyscyplinarny charakter projektu

Projekt, który ma dać odpowiedź na pytanie, czy można odzyskiwać lit z krajowych solanek złożowych i jak technologicznie prowadzić odzysk tego pierwiastka i wody użytkowej, wystartował w styczniu tego roku. Jest realizowany w laboratoriach Katedry Inżynierii Naftowej, która dysponuje unikatową aparaturą, w tym wysokociśnieniowymi (do 500 bar) reaktorami stacjonarnymi i przepływowymi oraz systemami analizy próbek ciekłych i gazowych.

 

 

Aparatura w laboratoriach Katedry Inżynierii Naftowej na Wydziale Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, fot. materiały projektu „CompLithium”

Prace inżynierskie zostaną uzupełnione analizami ryzyka środowiskowego oraz opłacalności proponowanego rozwiązania, co ma ułatwić jego późniejsze wdrożenie. Na osiągnięcie założonych celów inżynierowie z AGH dają sobie 3 lata.