Jaunumi kūdras izpētē Latvijā

Pēcdoktorantūras pētniecības projekts

Inovatīvi zemā tipa kūdras izmantošanas risinājumi videi draudzīgās tehnoloģijās

Projekta numurs: 1.1.1.2/VIAA/I/16/008

Pētījuma mērķis, uzdevumi, apskatāmā problēma

Šī pētījuma pamatmērķis ir zemā tipa kūdras fizikāli ķīmisko īpašību izpēte rodot jaunus kūdras izmantošanas veidus, kā arī pilnveidot jau esošos uz kūdras bāzētos produktus.

Šis ir starpdisciplinārs pētījums un ir sasaistāms ar ķīmiju, zemes un saistītajām vides zinātnēm, kā arī bioloģiju. Pētniecība iekļauj detalizētu zemā tipa kūdras izpēti, izmantošanas veidu izpēti, kā arī zemā tipa kūdras raksturošanas un analīzes metožu aprobāciju, kas var nodrošināt videi draudzīgas kūdras rūpniecības ilgtspēju un iespējas turpināt pētījumus šajā jomā.

Izpēte pamatā tiek fokusēta uz jaunu zināšanu un iemaņu apguvi jaunu uz kūdras bāzētu produktu izstrādē. Pētniecības virziens un aktivitātes tiek fokusētas uz ekonomiski un rūpnieciski nozīmīgām tēmām. Uzstādītā mērķa zinātniskā nozīmība ir pamatojama ar virknes vides problēmu detalizētu izpēti, kas ir saistītas ar ilgtspējīgu un saprātīgu vietējo dabas resursu izmantošanu un vides piesārņojuma samazināšanu, kā arī sniedz iespēju paplašināt vietējo dabas resursu izmantošanas jomas un apjomus. Lai arī pētījums nav saistīts ar saimniecisko darbību, tomēr tā ietvaros ir plānots iegūt kvalitatīvus rezultātus ar inovatīvām iezīmēm, kas var sekmēt Latvijas tautsaimniecības uzdevumu un vides aizsardzības uzdevumu īstenošanu.

Pētījuma pētniecisko uzdevumu noteikšanas, zinātniskās problēmas risināšanas un sasniedzamo rezultātu pamatā ir koncepcija par Latvijas dabas resursu lietderīgu un ilgtspējīgu apsaimniekošanu un izmantošanu. Šo pētījumu nepieciešams īstenot, jo zinātniskās problēmas nozīmība ir augsta gan lokāli, gan reģionāli, gan arī starptautiskā līmenī, kas tādejādi var sekmēt zinātniskā rezultāta un izvirzīto uzdevumu izpildi. Purvu kūdra ir tautsaimnieciski nozīmīgs resurss, kura racionālu izmantošanu ir nozīmīgi attīstīt un jebkuri iegūstamie rezultāti ir tautsaimnieciski nozīmīgi. Zemā tipa kūdras pētījumu virziena attīstīšanas nepieciešamība izriet arī no šīs tēmas aktualitātes, nozīmības tautsaimniecībā un tās starpdisciplinārā rakstura. Zemā tipa kūdras īpašību izpēte ir problēmorientētu pētījumu joma, kur iespējams izmantot un attīstīt starpdisciplināras pētījumu metodes (ķīmijas, bioloģijas, fizikas, ģeoloģijas u.c.), tādejādi iespējama plaša mēroga zinātniskā sadarbība gan vienas zinātniskās institūcijas, gan vairāku zinātnisko institūciju ietvaros (zinātnieku kompetenču pilnveide), kā arī iespējama komersantu piesaiste (produktu ieviešana tirgū).

Šī pētījuma zinātniskā problēma ir nepietiekamas zināšanas par zemā kūdras īpašībām kā potenciālam derīgajam izraktenim un nepilnvērtīga šo nogulumu izmantošana. Uz doto brīdi zemā tipa kūdrai ir zems izmantošanas potenciāls un zems inovāciju potenciāls, taču plānotais šo problēmu risinājums, īstenojot pētījumu, ietver detalizētu zemā tipa kūdras izpēti un analīzi, kā arī patentu un kūdras izmantošanas rekomendāciju izstrādi, kas pastāvošo situāciju var kardināli mainīt.

Pētījuma tēmu raksturo cieša saikne ar Latvijas viedās specializācijas stratēģiju, jo sekmīga pētījuma rezultātā tiek veicināta zemā tipa kūdras ieguve jau izstrādātajos augstā tipa purvos ar zemā tipa kūdras slāni – šis aspekts veicina tautsaimniecisko attīstību Latvijā, bet tai pat laikā ir ar relatīvi mazu ietekmi uz apkārtējo vidi, jo netiek apgūti vēl neskarti purvi un līdz ar to tiek saglabātas purvu kā ekosistēmu funkcijas, kas ir ilgtspējīgas vides pamats.

Ar pētījumu saistītā Latvijas viedās specializācijas stratēģijas joma ir zināšanu ietilpīga bioekonomika.

Pētījuma mērķis un tā pamatojums ir cieši saistīti ar Latvijas viedās specializācijas stratēģijas mērķu sasniegšanu, kas ir ražošanas un eksporta struktūras maiņa tradicionālajās tautsaimniecības nozarēs.

Pētījumā tiek īstenota arī viena no galvenajām Latvijas viedās specializācijas stratēģijas prioritātēm, kas ir augstas pievienotās vērtības produktu izstrāde – augstas pievienotās vērtības kompozītmateriāli, kūdras substrāti u.c.

Pētījuma rezultāti var veicināt izaugsmi nozarēs, kurās eksistē un ir iespējams radīt augstas pievienotās vērtības produktus, kas ir viens no galvenajiem Latvijas viedās specializācijas uzdevumiem.

Pētījuma rezultātā var tik apgūti vērienīgi dabas resursi, kas līdz šim tikuši atstāti novārtā un tādejādi tikt nodrošinātas arī jaunas darba vietas depresīvajos lauku reģionos.

Zemā tipa kūdras izpētes nozīmīgums

Purvu izpēte ir būtiska dažādām zinātnes nozarēm: ģeoloģijai, bioloģijai, vides zinātnei, arheoloģijai u.c. Taču līdz šim galvenā uzmanība tikusi pievērsta augstā tipa purviem un augstā tipa kūdrai, kamēr pētījumi zemo purvu ekosistēmās un zemā tipa kūdras kontekstā ir salīdzinoši maz. Esošie pētījumi zemajos purvos ir fokusēti uz bioloģiska rakstura izpēti, bet ne uz purvu veidošanos, attīstību, kūdras fizikāli ķīmiskajām īpašībām vai iespējamām zemā tipa kūdras izmantošanas jomām, kas sniegtu zemā tipa kūdras kā derīgā izrakteņa detalizētu raksturojumu.

Saprātīga purvu un kūdras izmantošana ir būtiska, lai nodrošinātu vides ilgtspējību, bet tai pat laikā apmierinātu augošās civilizācijas prasības un zemā tipa kūdras detalizēta izpēte un resursu izmantošana ir solis šajā virzienā.

Zemā tipa kūdras detalizētas izpētes rezultātā tiek rasts skaidrāks priekšstats par tās iespējamām izmantošanas jomām un tādejādi tiek sekmēta jaunu un inovatīvu uz zemā tipa kūdras bāzētu (vai zemās kūdras kā piedevas) produktu izmantošana, kas ir arī konkurētspējas priekšrocību atrašana tirgū.

Zemā tipa kūdras izpēti potenciāli raksturo arī spēja piesaistīt finanšu līdzekļus, kā arī atbilstība Latvijas tautsaimniecības attīstības prioritātēm. Zemā tipa kūdras izpēte atbilst 3 nozīmīgiem virzieniem Latvijas zinātnē, kas ir: 1) vide, klimats un enerģija – zemie purvi tiek pētīti kā ekosistēmas; 2) inovatīvie un uzlabotie materiāli un viedās tehnoloģijas – zemā tipa kūdra tiek izmantota jaunu augstas pievienotās vērtības produktu izstrādē, tādejādi tiek rastas jaunas konkurētspējas priekšrocības; 3) vietējo resursu izpēte un ilgtspējīga izmantošana – zemā tipa kūdras resursu izpēte un tās izmantošanas risinājumu izpēte.

Zemā tipa kūdras resursu apgūšana un jaunu tās izmantošanas risinājumu noteikšana var sniegt neatsveramu atbalstu un ieguldījumu ilgtspējīgas vides saglabāšanai, kas ir gudras un videi draudzīgas izaugsmes elements – samazinās nepieciešamība apgūt vēl neskartās purvu teritorijas un saglabāt augsto purvu ekosistēmas, tādejādi zemā tipa kūdras izpēte atbilst arī bioekonomikas prasībām.

Zemā tipa kūdras izmantošanas risinājumu identificēšana spēj sniegt atkarības samazināšanu no augstā tipa kūdras resursiem (nozarēs, kur zemā tipa kūdra var tikt izmantota kā alternatīva) un var veicināt ilgtspējīgu atjaunojamo (daļēji atjaunojamo) dabas resursu apsaimniekošanu, to izmantošanu organiskas cilmes produktos, kā arī bioenerģijā, taču tai pat laikā arī var nodrošināt ar jaunām darba vietām (īpaši depresīvajos lauku reģionos) un rūpniecisko attīstību. Zemā tipa kūdras īpašību izpēti ir nepieciešams attīstīt tās augstās nozīmības dēļ tautsaimniecībā, kā arī starpdisciplinārā rakstura dēļ. Zemā tipa kūdras izpēte ir problēmorientēta zinātniskā izpēte, kur iespējams izmantot un attīstīt virkni starpdisciplināru metožu, kas rada iespējas liela mēroga zinātniskajai sadarbībai. Šobrīd zemā tipa kūdra ir dabas resurss ar zemu izmantošanas potenciālu, taču pētījuma mērķa sasniegšana iespējams spēj šo situāciju būtiski mainīt, tādejādi sniedzot neatsveramu atbalstu Latvijas tautsaimniecībai.

Zemā tipa kūdras resursi Latvijā praktiski netiek iegūti un pilnvērtīgi izmantoti. Pēc augstā tipa kūdras slāņa norakšanas, zemā tipa kūdra tiek atstāta kūdras atradnē, kur tā tiek pakļauta oksidācijai un mineralizācijai, līdz kūdras atradnes rekultivācijai un purva ekosistēmas funkciju atjaunošanai. Zemā tipa kūdrai mineralizējoties tiek radītas ievērojamas siltumnīcas efektu izraisošu gāzu emisijas (CO2, N2O), tādēļ zemā tipa kūdras pārstrādes un modifikācijas risinājumu izpēte ir būtiska klimata pārmaiņu mazināšanas aspektā. Šīs aktivitātes ideja ir raksturot zemā tipa kūdras izmantošanas potenciālu, lai kūdras resursa izmantošana būtu videi draudzīga, pilnvērtīgāka un ekonomiski pamatotāka, taču tai pat laikā arī neapdraud ekosistēmu ilgtspēju noteicošos faktorus.

5. Zemā tipa kūdras pārstrādes un modifikācijas risinājumu izpēte

Projekta piektā aktivitāte: zemā tipa kūdras pārstrādes un modifikācijas risinājumu izpēte, saistīta ar inovatīvu augstas pievienotās vērtības produktu izstrādi. Šo aktivitāti plānots īstenot visu pētniecības projekta laiku – 36 mēnešus.

Galvenie plānotie darbi iekļauj zemā tipa kūdras biosorbcijas eksperimentus, zemā tipa kūdras modifikācijas eksperimentus un patenta izstrādi.

Galvenā šīs aktivitātes ideja ir analizēt zemā tipa kūdras rūpnieciskās īpašības un iespējas tās modificēt labākai piemērotībai kā biosorbentam un citos veidos.

Sagaidāmie rezultāti ietver:

1) vismaz 1 publikāciju Scopus indeksētā žurnālā par tēmu – zemā tipa kūdra kā sorbents;

2) vismaz 1 populārzinātnisku rakstu, kurā plašāka sabiedrība tiek iepazīstināta ar zemā tipa kūdras izmantošanas iespējām;

3) vismaz 1 prezentāciju starptautiskā konferencē;

4) vismaz 1 prezentāciju vietējas nozīmes konferencē;

5) zemā tipa kūdras preparāta patenta iestrādni.

Galvenie šīs aktivitātes uzdevumi ir:

laboratorijas darbu veikšana ar mērķi rast zemā tipa kūdras pārstrādes un modifikācijas risinājumus;
publikācijas izstrādāšana ar mērķi popularizēt zemā tipa kūdras izmantošanas potenciālu;
populārzinātniska raksta izstrādāšana ar mērķi popularizēt zemā tipa kūdras izmantošanas potenciālu;
starptautiskas un vietējas nozīmes konferenču tēžu prezentācija;
raksta publicēšana interneta vidē (šeit);
patenta aplikācijas izstrādāšana.

Šīs aktivitātes darba plāns sastāv no:

· Kūdras komponentu (humīnskābju, fulvoskābju) izdalīšanas, ekstrakcijas no zemā tipa kūdras masas, optimizācijas, aktivētās ogles ieguves;

· kūdras un tās komponentu īpašību raksturošanas;

· patenta aplikācijas izstrādes.

Sagaidāmie rezultāti ir:

· vismaz viena publikācija Scopus indeksētā žurnālā par tēmu – zemā tipa kūdras izmantošanas potenciāls;

· vismaz viens populārzinātnisks raksts, kurā plašāka sabiedrība tiek iepazīstināta ar zemā tipa kūdras izmantošanas iespējām;

· vismaz viena prezentācija starptautiskā konferencē;

· vismaz viena prezentācija vietējas nozīmes konferencē;

· vismaz viena patenta aplikācijas sagataves iestrādne;

· informācija par projektu Latvijas Nacionālās Kūdras Biedrības (LNKB) mājaslapā.

Sasniegtie rezultāti:

· Publikācija Scopus indeksētā žurnālā;

· Starptautiskas konferences tēzes (2x);

· Raksts LNKB mājaslapā (šeit).

Esošā un turpmākā darbība:

· Scopus publikācijas sagatavošana;

· Populārzinātniskas publikācijas sagatavošana;

· Vietējas nozīmes konferences apmeklēšana un tēžu publicēšana;

· Eksperimentālas patenta aplikācijas iestrādnes sagatavošana;

Līdz šim aktivitātē paveiktais darbs:

Laboratoriskie pētījumi:

Kūdrai un humusvielām veiktās laboratorijas analīzes un noteiktie parametri: humusvielu izvilkšana, bio-sorbcijas īpašību noteikšana, aktivētās ogles iegūšana, modifikācijas iespēju izvērtēšana.
Šajā aktivitātē izmantoti arī dati, kas iegūti veiktajās kūdras un tās komponentu laboratorijas analīzēs (1. un 3. aktivitāte).
Tiek veikti bio-sorbcijas eksperimenti ar zemā tipa kūdru, humīnskābēm un aktivēto ogli, tiek sorbēti smagie metāli un testēta sorbcijas kapacitāte.

Tiek Izstrādātas zinātniskās publikācijas:

Krumins, J.; Klavins, M. Advantages of modified fen peat in biosorption.
Irtiseva, K.; Baronins, J.; Krumins, J.; Ozolins, J.; Klavins, M.; Medne, O. Development of peat processing methods for production of innovative products. Key Engineering 2020, volume X(X), xx-xx.

Tikušas Izstrādātas un iesniegtas zinātniskās publikācijas:

Klavins, M.; Upska, K.; Viksna, A.; Bertins, M.; Ansone-Bertina, L.; Krumins, J. A comparative study of the properties of industrially produced humic substances. Agronomy Research 2020, volume X(X), xx-xx.

Tikušas izstrādātas, iesniegtas un publicētas zinātniskās publikācijas:

Krumins, J.; Klavins, M.; Kalnina, L. Fen peat in environmentally friendly technologies. Energy Procedia 2018, Volume 147, 114-120.

Tikušas sagatavotas un iesniegtas konferenču tēzes:

Klavins, M.; Upska, K.; Viksna, A.; Bertins, M.; Ansone-Bertina, L.; Krumins, J. A comparative study of the properties of industrially produced humic substances. BSE 2020.

Tikušas sagatavotas, iesniegtas un prezentētas konferenču tēzes:

Krumins, J.; Krukovskis, R.; Klavins, M. 2019. Biosorption of heavy metals onto fen peat humic acids. Natural organic matter flows and properties: from theory to applications. Riga, Latvia, 8-10 June 2019.

Tikusi apmeklēta starptautiskas nozīmes konference un prezentēts referāts:

Krumins, J.; Klavins, M.; Kalnina, L. Fen peat in environmentally friendly technologies. CONECT 2018, Riga, Latvia, 16-18 May 2018.

Izstrādē esošās patenta aplikācijas:

Peat multi-stage biological water filter with fen peat and activated charcoal for household wastewater.

Kopsavilkums:

Sasniegtais aktivitātē Nr. 5

Publicēta publikācija Scopus indeksētā žurnālā (1 gab.);
Iesniegta publikācija Scopus indeksētā žurnālā (1 gab.);
Prezentēts pētījums starptautiskas nozīmes konferencē (1 gab.);
Iesniegtas tēzes starptautiskas nozīmes konferencei (1. gab.);
Prezentētas starptautiskas nozīmes konferenču tēzes (1 gab.).