Nye fund kunne informere om, hvordan zeolitter bruges til kulstoffangst og -lagring

Zeolitter kunne betragtes som naturens arbejdshest.

Fyldt med mikroskopiske huller og kanaler, disse ultraporøse mineraler kan opsuge miljøforurenende stoffer, filtrere drikkevand, håndtere nukleart affald og endda absorbere kuldioxid (CO ₂ ).

Nu, i den første undersøgelse af sin art, Forskere fra Northwestern University har analyseret gamle zeolitprøver indsamlet fra kanten af ​​Østisland for at opdage, at zeolitter adskiller calciumisotoper på en helt uventet måde.

"Calcium opstår som flere isotoper med forskellige masser, " sagde Claire Nelson, avisens første forfatter. "De fleste mineraler inkorporerer fortrinsvis lettere calciumisotoper. Det, vi fandt, er, at nogle zeolitter foretrækker lettere isotoper i ekstrem grad, mens andre zeolitter foretrækker tungere isotoper, et sjældent og slående resultat."

Dette fund kunne hjælpe med at kvantificere temperaturer i både moderne og gamle geologiske systemer, samt informere bestræbelser på at afbøde menneskeskabte klimaændringer ved kulstoffangst.

Undersøgelsen blev offentliggjort fredag ​​(1. oktober) i tidsskriftet Kommunikation Jord og miljø , et nyt open access-tidsskrift etableret af Nature Portfolio.

"Vi opdagede noget helt uventet og nyt, " sagde Andrew Jacobson, seniorforfatter af undersøgelsen. "Det kan have vidtrækkende implikationer inden for geovidenskab og på tværs af felter, især i betragtning af, at zeolitter har utallige anvendelser i industrien, medicin og miljøsanering."

Jacobson er professor i jord- og planetvidenskab ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Nelson opnåede for nylig sin ph.d. arbejder i Jacobsons laboratorium og er i øjeblikket postdoc-forsker ved Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory. Zeolitekspert Tobias Weisenberger, en geolog ved Islands Universitets Breiðdasvík Research Center, var en vigtig medforfatter til undersøgelsen.

Rapellering efter sten

Selvom de dannes i en bred vifte af geologiske miljøer, Zeolitter er især almindelige i vulkanske omgivelser, der producerer basalt. Da lava brød ud fra vulkaner hober sig op over tid, de nedgravede klipper komprimeres og transformeres. Grundvandet interagerer med disse klipper og danner zeolitter, som består af aluminium, oxygen- og siliciumatomer bundet sammen for at danne tredimensionelle burlignende strukturer.

"Den oprindelige vulkanske lava krystalliserede til primære mineraler, " sagde Nelson. "Så regnede vandet ned og infiltrerede klipperne, opløste dem og producerede sekundære mineraler som zeolitter og calcit."

For at indsamle prøver til undersøgelsen, Nelson besøgte Berufjörður-Breiðdalur-regionen i det østlige Island, hvor glacial erosion har hugget dybe dale og fjorde ind i basaltklippe for at afsløre begravede zeolitter. Nelson klatrede til toppen af ​​fjordens bjerge og rappellerede ind i flodkløften for at indsamle prøver fra forskellige højder, repræsenterer forskellige dybder af begravelse og dermed temperaturer af metamorfose.

En tung overraskelse

For at analysere disse prøver, Nelson brugte en state-of-the-art, meget præcis metode til måling af calciumisotoper udviklet i Jacobsons laboratorium. Nelson og Jacobson var særligt interesserede i at identificere mekanismer, der fraktionerer (eller adskiller) calciumisotoper efter deres masser.

"I årtier, geovidenskabsmænd har brugt zeolitter til at forstå den hydrotermiske ændring af basalt, men indtil nu, calciumisotopforskere havde forsømt dem, " sagde Jacobson. "Som det viser sig, mineralerne viser ekstremt store calciumisotopfraktioner, meget større end nogen forudsagde eller endda troede muligt."

Northwestern-holdet fandt, at zeolitterne udviste ekstrem calciumisotopvariabilitet, mere end praktisk talt alle andre materialer produceret på jordens overflade.

Efter yderligere analyse, Nelson opdagede, at denne adfærd direkte korrelerer med bindingslængder mellem calcium- og oxygenatomer i zeolitterne. Zeolitter, der understøtter længere bindinger, akkumulerer lettere calciumisotoper, hvorimod dem med kortere bindinger akkumulerer tungere calciumisotoper.

"I bund og grund, tungere isotoper foretrækker stærkere (eller kortere) bindinger, " sagde Nelson. "Det er mere termodynamisk gunstigt for stærkere bindinger at koncentrere tungere isotoper. Længere bindinger foretrækker energimæssigt lettere isotoper. Sådanne observationer er sjældne og informerer om, hvad vi ved om calciumisotopers adfærd generelt."

Varmt potentiale

Resultaterne har vidtrækkende implikationer, da zeolitter har flere industrielle og kommercielle anvendelser. Ud over, at forstå de mekanismer, som fraktionerer calciumisotoper kan hjælpe med at informere både eksisterende og nye anvendelser af calcium isotop proxy. Fordi isotopfraktionering kan være temperaturafhængig, Jacobson og Nelson siger, at zeolitter kunne udvikles til en helt ny type geotermometer, potentielt i stand til at rekonstruere ældgamle temperaturer i miljøer, hvor zeolitter dannes.

"Forholdet mellem bindingslængde indikerer, at fraktioneringerne er styret af termodynamik snarere end kinetik, " sagde Nelson. "Termodynamisk, eller ligevægt, kontrolleret fraktionering er temperaturafhængig. Så, med mere forskning, zeolitternes calciumisotopforhold kunne bruges til at kvantificere temperaturer fra fortiden."

Den nye forståelse har også betydning for at bruge calciumisotoper til at spore basaltforvitring, herunder dets rolle i langsigtet klimaregulering og anvendelse i kulstoffangst og -lagring.