Quanto bene gli elementi tossici fuoriescono dalla cenere di carbone dipende dalla composizione su scala nanometrica della cenere – ScienceDaily

Ad esempio, Duke Energy ha immagazzinato a lungo una forma liquefatta di cenere di carbone in 36 grandi stagni in tutta la Carolina. Tutto è cambiato nel 2014, quando una fuoriuscita nel sito di Dan River ha rilasciato 27 milioni di galloni di acqua di stagno di cenere nell’ambiente locale. L’incidente ha sollevato preoccupazioni sui pericoli associati anche a tracce di elementi tossici come l’arsenico e il selenio nella cenere. Poco si sapeva, tuttavia, sulla quantità di questi materiali pericolosi presenti nell’acqua di cenere o sulla facilità con cui potevano contaminare l’ambiente circostante.

I timori di future fuoriuscite e infiltrazioni hanno indotto Duke Energy ad accettare di pagare $ 1,1 miliardi per smantellare la maggior parte dei suoi bacini di cenere di carbone nei prossimi anni. Nel frattempo, i ricercatori stanno lavorando a modi migliori per utilizzare la cenere, come riciclarla per recuperare preziosi elementi delle terre rare o incorporarla in materiali da costruzione come il cemento. Ma per mettere in atto qualsiasi potenziale soluzione, i ricercatori devono ancora sapere quali fonti di cenere di carbone rappresentano un rischio pericoloso a causa della sua composizione chimica, una domanda a cui gli scienziati ancora faticano a rispondere.

In un nuovo articolo pubblicato il 6 giugno sulla rivista Scienze ambientali: nano, i ricercatori della Duke University hanno scoperto che queste risposte possono rimanere sfuggenti perché nessuno pensa abbastanza in piccolo. Usando una delle sorgenti di luce di sincrotrone più recenti e avanzate al mondo, la National Synchrotron Light Source II del Brookhaven National Laboratory, gli autori mostrano che, almeno per il selenio e l’arsenico, la quantità di elementi tossici in grado di fuoriuscire dal carbone la cenere dipende in gran parte dalle loro strutture su scala nanometrica.

“Questi risultati mostrano quanto sia complessa la cenere di carbone come materiale”, ha affermato Helen Hsu-Kim, professoressa di ingegneria civile e ambientale alla Duke University. “Ad esempio, abbiamo visto l’arsenico e il selenio attaccati alla superficie di particelle a grana fine o incapsulati al loro interno, il che spiega perché questi elementi fuoriescono da alcune fonti di cenere di carbone più facilmente di altre”.

È noto da tempo che fattori nell’ambiente circostante come il pH influenzano il modo in cui gli elementi tossici possono spostarsi dalla fonte all’ambiente circostante. In ricerche precedenti, Hsu-Kim ha dimostrato che la quantità di ossigeno nell’ambiente circostante una tossina può influenzare notevolmente la sua chimica e che diverse fonti di cenere di carbone producono livelli molto diversi di sottoprodotti.

Ma solo perché una fonte di cenere di carbone è ricca di arsenico non significa necessariamente che ne fuoriescano elevate quantità. Allo stesso modo, varie fonti di cenere rispondono in modo diverso alle stesse condizioni ambientali. Il problema è a dir poco complesso. Per adottare un approccio diverso, Hsu-Kim ha deciso di dare un’occhiata ancora più da vicino alla fonte stessa.

“I ricercatori nel campo usano tipicamente la microscopia a raggi X con una risoluzione di uno o due micrometri, che è circa la stessa dimensione delle stesse particelle di cenere volante”, ha detto Hsu-Kim. “Quindi, se una singola particella è un singolo pixel, non vedi come gli elementi sono distribuiti su di essa.”

Per ridurre i pixel di queste immagini alla nanoscala, Hsu-Kim si è rivolta a Catherine Peters, professoressa di ingegneria civile e ambientale all’Università di Princeton, e ai suoi colleghi per acquisire tempo sulla National Synchrotron Light Source II. La macchina futuristica crea raggi di luce 10 miliardi di volte più luminosi del sole per rivelare la struttura chimica e atomica dei materiali utilizzando raggi di luce che vanno dagli infrarossi ai raggi X duri.

Le capacità di Brookhaven sono state in grado di fornire ai ricercatori una mappa su scala nanometrica di ciascuna particella insieme alla distribuzione degli elementi in ciascuna particella. L’incredibile risoluzione ha rivelato che la cenere di carbone è una raccolta di particelle di ogni tipo e dimensione.

Ad esempio, in un campione i ricercatori hanno visto singole nanoparticelle di selenio attaccate a particelle più grandi di cenere di carbone, che è una forma chimica di selenio che probabilmente non è molto solubile in acqua. Ma la maggior parte della cenere conteneva arsenico e selenio bloccati all’interno di singoli granelli o attaccati alla superficie con legami ionici relativamente deboli che si rompono facilmente.

“Era quasi come se vedessimo qualcosa di diverso in ogni campione che guardavamo”, ha detto Hsu-Kim. “L’ampia gamma di differenze evidenzia davvero perché la caratteristica principale a cui teniamo – quanti di questi elementi fuoriescono dalla cenere – varia così tanto tra i diversi campioni”.

Mentre nessuno può dire con certezza cosa fa sì che la cenere di carbone sviluppi la sua composizione unica, Hsu-Kim suppone che sia probabilmente principalmente correlato al modo in cui il carbone si è formato originariamente milioni di anni fa. Ma potrebbe anche avere qualcosa a che fare con le centrali elettriche che bruciano il carbone. Alcuni impianti iniettano carbone attivo o calce nei fumi, che catturano rispettivamente le emissioni di mercurio e zolfo. A 1000 gradi Fahrenheit, le tossine come l’arsenico e il selenio nella canna fumaria sono gassose e la fisica che determina il modo in cui le particelle si raffredderanno e si ricombineranno per formare la cenere è incontrollabile.

Ma indipendentemente dal come, i ricercatori ora sanno che dovrebbero prestare maggiore attenzione ai piccoli dettagli racchiusi nei risultati finali.

Questo lavoro è stato supportato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DE-FE0031748) e dal National Institute of Environmental Health Sciences (5U2C-ES030851). Questa ricerca ha utilizzato le risorse dell’US DOE Office of Science User Facility presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource facility gestita dallo SLAC National Accelerator Laboratory (DE-AC02-76SF0051) e presso la Hard X-ray Nanoprobe (HXN) Beamline at 3-ID of the National Impianto Synchrotron Light Source II gestito dal Brookhaven National Laboratory (DE-SC0012704).