灰的纳米级构成影响浸出的有毒元素

每个人都知道,煤炭燃烧造成空气污染,气候和人类健康是有害的。但火山灰遗留下来的往往是有害的。

例如,杜克能源长期存放一种液化的煤灰在卡罗莱纳州在36个大池塘。2014年,一切都改变了,当一个泄漏的丹河网站公布的2700万加仑的火山灰池塘水到当地环境。这一事件相关的风险表示担忧甚至微量的有毒元素如砷和硒的灰烬。然而,很少有人知道这些有害物质的多少在灰水或他们可能污染周围环境的难易程度。

担忧未来的泄漏和渗流引起的杜克能源公司同意支付11亿美元以解除其大部分的煤灰池塘在未来几年。与此同时,研究人员正在研究更好的方法把火山灰的使用,如回收恢复宝贵的稀土元素或者将它纳入混凝土等建筑材料。但将任何潜在的解决方案付诸实践,研究人员还必须知道哪些煤灰的来源构成危险的风险由于其化学组成——科学家们仍要回答的问题。

“我们看到砷和硒附着在表面的细粒度颗粒或封装,这也解释了为什么这些元素浸出的煤灰来源比其他人更容易。”

海伦HSU-KIM

在一个新的6月6日《环境科学》杂志上发表的论文:纳米,杜克大学的研究人员发现,这些答案可能仍然难以捉摸,因为没有人想足够小。使用一个最新的,世界上最先进的同步光源——全国同步光源II布鲁克海文国家实验室,作者表明,至少对硒、砷有毒元素的数量能够逃离煤灰在很大程度上取决于他们的纳米结构。

“这些研究结果显示复杂的煤灰作为材料,”海伦Hsu-Kim说,杜克大学土木与环境工程教授。“例如,我们看到砷和硒附着在表面的细粒度颗粒或封装,这也解释了为什么这些元素浸出的煤灰来源比其他人更容易。”

这是众所周知,周围环境pH值等影响因素如何有毒元素可以从源移动到环境。在先前的研究中,Hsu-Kim显示毒素的环境中的氧气量可以极大地影响其化学,这不同来源的煤灰生产大大不同级别的副产品。

但是仅仅因为煤灰的一个来源是高砷并不一定意味着大量的砷将浸出。同样,各种来源的火山灰反应不同,相同的环境条件。这个问题是复杂的,至少可以这么说。采取不同的方法,Hsu-Kim决定采取一个更近看源代码本身。

“该领域的研究人员通常使用x射线显微镜分辨率的一个或两个微米,这是同样的大小粉煤灰颗粒本身,“Hsu-Kim说。“如果一个粒子是一个像素,你不是看到的元素分布在它。”

“该领域的研究人员通常使用x射线显微镜分辨率的一个或两个微米,这是同样的大小粉煤灰颗粒本身。如果一个粒子是一个像素,你不是看到的元素分布在它。”

海伦HSU-KIM

缩小这些照片的像素到纳米级,Hsu-Kim转向凯瑟琳·彼得斯,普林斯顿大学土木与环境工程教授和她的同事获得时间在全国同步光源二世。未来的机器创建光束比太阳亮100亿倍的化学和原子结构材料使用光束从红外到硬x射线。

布鲁克海文国家实验室的能力能够为研究人员提供一个纳米级的地图每个粒子以及元素在每个粒子的分布。令人难以置信的决议表明,煤灰的编译所有类型和大小的颗粒。

例如,在一个示例研究人员看到个人的硒纳米粒子与大颗粒煤的灰,这是一种化学的硒可能不是很溶于水。但大部分的灰砷和硒被锁在个人谷物或附着在表面相对较弱的离子键,容易破碎。

“这几乎是像我们看到不同的东西在每一个样品我们看,“Hsu-Kim说。“广泛的差异真的强调为什么我们关心的主要特征——有多少这些元素浸出的灰——不同样本之间变化如此之多。”

虽然没有人可以确定是什么原因导致煤灰发展其独特的成分,Hsu-Kim猜测很可能主要与数百万年前煤炭最初是如何形成的。但它也可能与燃烧煤炭的发电厂。有些植物注入活性炭或石灰烟气,分别抓住了汞和硫排放。在华氏1000度的毒素,如砷和硒在烟道气体,和决定粒子的物理学将酷和重组形成灰是不可控的。

但是无论如何,现在研究人员知道,他们应该更关注细节封装在最后的结果。

参考:凌里维拉NA,英国《金融时报》,金Z, et al .砷和硒的纳米尺度的非均质性物种在粉煤灰颗粒:使用增强的光谱成像和物种形成的技术分析。环境科学:纳米。2023:10.1039.D2EN01056A。doi:10.1039 / D2EN01056A

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