Rust tilbyder en billig måde at filtrere arsenforgiftet vand på

Når vandet strømmer dybt under jorden, det opløser ofte uorganiske stoffer fra mineralforekomster i jordskorpen. I mange regioner, disse aflejringer indeholder arsen, et naturligt forekommende element, der er farveløst, smagløs og lugtfri. Selvom dens tilstedeværelse knap er mærkbar, langvarig udsættelse for arsen-forurenet vand kan føre til koldbrand, sygdom og mange former for kræft, resulterer i store tab af indkomst for millioner af mennesker og endda død.

Fordi mange regioner mangler ressourcer og infrastruktur til at behandle deres vand med konventionelle midler, de har intet andet valg end at fortsætte med at udsætte sig selv for disse risici. Krisen med udbredt arsenikforurening, især i det sydlige Asien, er blevet beskrevet som den største masseforgiftning i menneskehedens historie.

"Naturligt forekommende arsen i grundvandet er faktisk mere almindeligt, end man skulle tro, " siger Case van Genuchten, en forsker i Geokemisk Afdeling for Danmarks og Grønlands Geologiske Undersøgelser. "Mange regioner har centraliseret vandbehandling, hvilket gør det ret nemt at fjerne. Men i regioner, der ikke har en rørledningsvandforsyning og er afhængige af grundvandsbrønde, du skal tænke lidt mere over, hvordan du implementerer bæredygtige vandbehandlingsløsninger."

Inspireret af naturlige processer i jorden, der binder forurenende stoffer og filtrerer dem fra, van Genuchten har brugt jernoxider såsom rust, som er rigeligt i jorden, at filtrere arsen fra grundvandet. Han leder eksperimenter ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, der undersøger billige metoder til behandling af grundvand med kun små mængder elektricitet og stål eller jern. Holdets seneste papir, som sammenligner den arsen-fjernende ydeevne af forskellige former for rust er blevet offentliggjort i Vandforskning .

Rustens farver

Rust dannes, når jern reagerer med ilt og fugt. Denne reaktion får jernatomerne til at miste elektroner, øger materialets oxidationstilstand. Forskellige oxidationstilstande producerer forskellige farver, eller formularer, af rust. Hver form har unikke egenskaber og reagerer forskelligt med arsen.

Holdet bruger røntgenstråler fra SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) for bedre at forstå, hvordan arsen binder til forskellige rustpartikler, en interaktion, der bliver brugt til at fjerne arsen i egentlige rensningsprocesser på et vandbehandlingsanlæg beliggende i en skole i en landsby i Vestbengalen, Indien.

"Det, vi gør, er at tage jernstykker, som er nemme at finde, og indsæt dem i pumpet grundvand i en tank tilsluttet en strømforsyning, såsom et bilbatteri, " siger van Genuchten. "Strømmen fra batteriet tærer jernet og producerer rust. Arsen binder sig til overfladen af ​​disse rustpartikler, som derefter kan filtreres ud af tyngdekraften, eller potentielt, ved hjælp af magneter. Enhver form for rust, fra sort til rød til grøn, har et andet atomarrangement. Ved at ændre den måde, vi tilfører strøm til vandet, vi kan kontrollere rustens atomare struktur og reaktivitet for at optimere vores system."

Nål i en høstak

Forskerne opdagede, at magnetit, en form for sort rust fundet i mange forskellige typer klipper, er den mest effektive til denne proces, fungerer godt selv ved lave koncentrationer.

Hos SSRL, holdet bruger røntgenstråler til at bestemme strukturen af ​​magnetitpartikler, og hvordan arsen danner kemiske bindinger med mineralet. Ved at skinne røntgenstråler på prøver af rust bundet med arsen, forskerne kan slå elektroner ud af arsen-atomernes inderste skaller, hvilket gør det muligt at påvise arsenatomer selv i spormængder, der er lige så svære at finde som en nål i en høstak. Denne synkrotron-baserede teknik, kaldet røntgenabsorptionsspektroskopi, bruger røntgenstråler med fint kontrollerede energier til at få information om, hvordan arsen binder til jernet og er en af ​​de eneste metoder, der er i stand til at producere så detaljerede oplysninger om opførsel af sporgiftige metaller.

Gennem disse eksperimenter, forskerne fandt ud af, at magnetit har en unik struktur sammenlignet med andre former for rust, der sætter den i stand til at danne stærkere bindinger med forureningen.

"Arsenmolekylets form og størrelse viste sig at passe som en puslespilsbrik i magnetits struktur, " siger van Genuchten. "Dette fører til inkorporering af arsen i magnetitpartiklen i stedet for blot at binde til mineraloverfladen."

Virkelighed i den virkelige verden

Gennem denne forskning, van Genuchten håber at finde måder at producere rustpartikler hurtigere og bedre kontrollere, hvordan de reagerer med arsen, så vandbehandlingssystemet kan optimeres til det punkt, hvor det kan implementeres bredt. Han siger, at han nyder, hvordan projektet sætter ham i stand til at skubbe grundforskningen fremad, selvom den er drevet af klare ansøgninger og presserende behov.

"Jeg begyndte at forske i vandbehandling, fordi jeg ville have en positiv indvirkning på verden, " siger han. "Nogle gange bliver jeg frustreret, når vandbehandlingsdelene af min forskning ikke går som planlagt, men så hjælper det at huske, at jeg også forsker ud fra et grundlæggende perspektiv. Den viden, jeg genererer om interaktioner mellem mineraler og forurenende stoffer, er også vigtig for at forstå, hvordan forurenende stoffer opfører sig i miljøet - for eksempel hvordan giftige metaller bevæger sig gennem grundvandet og fanges i jord og sediment."

På trods af udfordringerne, han tilføjer, at det altid er vigtigt at holde øje med de virkelige applikationer, som dette arbejde vil have.

"Jeg var der den første dag, hvor der blev delt vand ud til børnene på skolen i Indien, " siger han. "Børnene har alle kort med elektroniske chips, som de sætter på et lille panel i en distributionskiosk, som så pumper en liter filtreret vand ud. Det var så givende at se spændingen i deres ansigter, da de så vandet komme ud."