Возможности применения методов колебательной спектроскопии для определения парниковых газов на карбоновом полигоне «Росянка» (Калининградская область)

Введение. Представлены результаты применения методов колебательной спектроскопии для мониторинга парниковых газов на карбоновом полигоне «Росянка» (Калининградская область). Использование предложенных методов демонстрирует эффективность при полуколичественном обнаружении парниковых газов, в частности углекислого газа (CO2). Показан потенциал применения инфракрасной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) для мониторинга CO2 в полевых условиях с разницей значений порядка 100 мг/л между рассчитанными и экспериментальными значениями концентраций в полевых образцах.  Метод. Применены методы инфракрасной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света с использованием спектрометра Virsa (компания «Renishaw», Великобритания) и Shimadzu IR-Prestige 21. Съемка производилась путем регистрации спектров газов, укупоренных в стеклянный флакон для лекарственных средств объемом 10 мл. Выполнялось сравнение полученных образцов спектров газовой смеси со спектрами эталонного образца с известной концентрацией, а также cо значением концентраций, полученных с использованием газового хроматографа. Основные результаты. Продемонстрирована принципиальная возможность применения методов инфракрасной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света для определения концентраций парниковых газов на карбоновых полигонах страны, в том числе, на карбоновом полигоне «Росянка», где при определении содержания CO2 в воздухе порог регистрации составил 300–500 мг/л. Обсуждение. Для образцов, отобранных на карбоновом полигоне «Росянка», применяемые методы колебательной спектроскопии позволили определить только концентрацию CO2. Концентрации метана не были определены из-за их низких значений в образцах (до 10 мг/л по данным газовой хроматографии). Ожидается, что дальнейшие исследования с применением методов усиления сигнала, например с использованием многоходовых кювет или резонаторноусиленная спектроскопия комбинационного рассеяния света, позволят решить эту проблему при регистрации низких значений концентрации парниковых газов. 

1. Buckley S.G. Detecting methane emissions: how spectroscopy is contributing to sustainability efforts // Spectroscopy. 2022. V. 37. N 4. P. 22–26. doi: 10.56530/spectroscopy.zx3279o9

2. Bashirova L., Sivkov V., Ulyanova M., Gavrikov A., Artamonov A. Climate and environmental monitoring of the Baltic Sea: general principles and approaches // Reliability: Theory & Applications. 2023. V. 18. N SI 5 (75). P. 164–171. doi: 10.24412/1932-2321-2023-575-164-171

3. Joosten H., Tapio-Biström M.L., Tol S. Peatlands: Guidance for Climate change Mitigation Through Conservation, Rehabilitation and Sustainable use. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations, 2012. 114 p.

4. Couwenberg J., Thiele A., Tanneberger F., Augustin J., Bärisch S., Dubovik D., et al. Assessing greenhouse gas emissions from peatlands using vegetation as a proxy // Hydrobiologia. 2011. V. 674. N 1. P. 67–89. doi: 10.1007/s10750-011-0729-x

5. Napreenko M.G., Antsiferova O.A., Aldushin A.V., Samerkhanova A.K., Aldushina Y.K., Baranovskiy P.N., et al. New approaches to sustainable management of wetland and forest ecosystems as a response to changing socio-economic development contexts // World Sustainability Series. 2021. P. 395–416. doi: 10.1007/978-3-030-78825-4_24

6. Antsiferova O., Napreenko M., Napreenko-Dorokhova T. Transformation of soils and mire community reestablishment potential in disturbed abandoned peatland: A case study from the Kaliningrad Region, Russia // Land. 2023. V. 12. N 10. P. 1880. doi: 10.3390/land12101880

7. Baker R.W., Lokhandwala K. Natural gas processing with membranes: an overview // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2008. V. 47. N 7. P. 2109–2121.

8. Barres O., Burneau A., Dubessy J., Pagel M., Pironon J. Application of micro-ftir spectroscopy to individual fluid inclusion analysis // Chemical Geology. 1988. V. 70. N 1-2. P. 178. doi: 10.1016/0009-2541(88)90722-x

9. Caumon M.C., Robert P., Laverret E., Tarantola A., Randi A., Pironon J., et al. Determination of methane content in NaCl–H2O fluid inclusions by Raman spectroscopy. Calibration and application to the external part of the Central Alps (Switzerland) // Chemical Geology. 2014. V. 378. P. 52–61. doi: 10.1016/j.chemgeo.2014.03.016

10. Chou I.M. Optical cells with fused silica windows for the study of geological fluids // European Mineralogical Union Notes in Mineralogy. 2012. V. 12. N 1. P. 227–247.

11. Hu J., Duan Z., Zhu C., Chou I.M. PVTx properties of the CO2–H2O and CO2–H2O–NaCl systems below 647 K: Assessment of experimental data and thermodynamic models // Chemical Geology. 2007. V. 238. N 3-4. P. 249–267. doi: 10.1016/j.chemgeo.2006.11.011

12. Duan Z., Mao S. A thermodynamic model for calculating methane solubility, density and gas phase composition of methane-bearing aqueous fluids from 273 to 523K and from 1 to 2000 bar // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2006. V. 70. N 13. P. 3369–3386. doi: 10.1016/j.gca.2006.03.018

13. Czyzewski A., Ernst K., Karasinski G., Lange H., Rairoux P., Skubiszak W., et al. Cavity ring-down spectroscopy for trace gas analysis // Acta Physica Polonica B. 2002. V. 33. N 8. P. 2255–2265.

14. Munz I.A. Petroleum inclusions in sedimentary basins: systematics, analytical methods and applications // Lithos. 2001. V. 55. N 1-4. P. 195–212. doi: 10.1016/S0024-4937(00)00045-1

15. Wong J.Y., Schell M. Zero drift NDIR gas sensors // Sensor Review. 2011. V. 31. N 1. P. 70–77. doi: 10.1108/02602281111099116

16. Kwaśny M., Bombalska A. Optical methods of methane detection // Sensors. 2023. V. 23. N 5. P. 2834. doi: 10.3390/s23052834

17. Napreenko M., Kileso A., Napreenko-Dorokhova T., Antsiferova O., Bashirova L., Goltsvert G. Carbon flux inventories on disturbed peatlands as part of the Carbon Supersite Programme in the Baltic Region // International Journal of Environmental Science and Technology. 2025. V. 22. N 12. P. 11267–11274. doi: 10.1007/s13762-024-06200-8

18. Dobrzyniewski D., Szulczynski B., Dymerski T., Gębicki J. Development of gas sensor array for methane reforming process monitoring // Sensors. 2021. V. 21. N 15. P. 4983. doi: 10.3390/s21154983

19. Zhang L., Dai X., Zhang W., Wang W., Liu X., Li W. A TDLAS gas detection method based on digital signal modulation // Optics Communications. 2025. V. 574. P. 131211. doi: 10.1016/j.optcom.2024.131211

20. Bumbrah G.S., Sharma R.M. Raman spectroscopy–Basic principle, instrumentation and selected applications for the characterization of drugs of abuse // Egyptian Journal of Forensic Sciences. 2016. V. 6. N 3. P. 209–215. doi: 10.1016/j.ejfs.2015.06.001

21. Petrov D.V., Matrosov I.I., Zaripov A.R. Determination of atmospheric carbon dioxide concentration using Raman spectroscopy // Journal of Molecular Spectroscopy. 2018. V. 348. P. 137–141. doi: 10.1016/j.jms.2018.01.001

22. Hanf S., Keiner R., Yan D., Popp J., Frosch T. Fiber-enhanced Raman multigas spectroscopy: a versatile tool for environmental gas sensing and breath analysis // Analytical Chemistry. 2014. V. 86. N 11. P. 5278–5285. doi: 10.1021/ac404162w

23. Workman J. A review of the latest research applications using FT-IR spectroscopy // Spectroscopy. 2024. V. 39. N s8. P. 22–28. doi: 10.56530/spectroscopy.ak9689m8

24. Huang Y., Wu C., Tao X., Lu K., Wang W., Liu X. Micro FT-IR spectroscopic measurements of CH4: Experimental calibration with high-pressure and high temperature optical cell (HPOC) // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2024. V. 308. P. 123703. doi: 10.1016/j.saa.2023.123703

25. Schott J.A., Do-Thanh C.L., Shan W., Puskar N.G., Dai S., Mahurin S.M. FTIR investigation of the interfacial properties and mechanisms of CO2 sorption in porous ionic liquids // Green Chemical Engineering. 2021. V. 2. N 4. P. 392–401. doi: 10.1016/j.gce.2021.09.003

26. Petrov D.V., Matrosov I.I., Zaripov A.R., Tanichev A.S. Raman natural gas analyzer: effects of composition on measurement precision // Sensors. 2022. V. 22. N 9. P. 3492. doi: 10.3390/s22093492

27. Yang Q.Y., Tan Y., Qu Z.H., Sun Y., Liu A., Hu S. Multiple gas detection by cavity-enhanced Raman spectroscopy with sub-ppm sensitivity // Analytical Chemistry. 2023. V. 95. N 13. P. 5652–5660. doi: 10.1021/acs.analchem.2c05432