At løse et videnskabeligt mysterium og finde en løsning for industrien

Ved at løse et videnskabeligt mysterium, forskere fra University of Houston og landets nationale laboratorier opdagede også en ny vej til at fjerne toksiner fra vand, herunder spildevand produceret ved hydraulisk frakturering.

Fundene, beskrevet i et papir offentliggjort i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences , adressere paradokset om, hvorfor mineralet baryt - ofte blandet med det kemiske grundstof strontium - er udbredt til stede i havvand.

Havvand er undermættet med hensyn til baryt, det er, koncentrationerne af barium og sulfationer er for lave til at danne barytudfældninger, sagde Yandi Hu, assisterende professor i civil- og miljøteknik ved University of Houston og tilsvarende forfatter på papiret. Strontiumsulfat er meget mere vandopløseligt end bariumsulfat, så termodynamiske niveauer af strontium i bariumsulfatudfældninger bør være lave, såvel, hun sagde.

Men baryt findes ofte i havvand, ligesom strontium-snøret baryt. Baseret på mark-site fund om, at tilstedeværelsen af ​​baryt og høje strontiumniveauer i baryt er forbundet med tilstedeværelsen af ​​organisk stof, hun og kolleger begyndte deres studie.

Ud over Hu, medforfattere til papiret omfatter Ning Deng og Bo Cao fra UH; Andrew Stack og Julian Weber fra Oak Ridge National Laboratory; og James De Yoreo fra Pacific Northwest National Laboratory.

"En forståelse af barytudfældning i havet, som er globalt undermættet med hensyn til baryt, mangler, " skrev de. "Desuden, årsagen til forekomsten af ​​højere [strontium] indhold i marine bariter end forventet... er stadig ukendt."

Feltdata tydede på, at der var større sandsynlighed for, at barytudfældninger blev fundet i havvand, hvis organisk materiale var i nærheden, selvom forskerne sagde, at den specifikke mekanisme for mineral-organiske interaktioner ikke er klar.

For bedre at forstå hvorfor, de brugte organiske film i både undermættede og overmættede opløsninger og registrerede barytkernedannelse. Tests fandt, at baryt voksede hurtigt i løsningen, med kontinuerlig nukleering af baryt ved grænsefladen mellem opløsningen og den organiske film.

Denne grænseflade skaber betingelser - et mikromiljø - der er anderledes end hoveddelen af ​​løsningen, sagde Hu.

"De organiske stoffer kan berige ioner fra bulkopløsningen, gør den lokale løsning ved grænsefladen overmættet med hensyn til baryt, selv når bulkopløsningen var undermættet, " sagde Hu.

Overmætningen langs den organiske film fremmede kontinuerlig kernedannelse af baryt der, mens det faktum, at strontiumsulfatet udviste en lavere nukleationsenergi, foranledigede inkorporeringen af ​​strontium i bundfaldene, hun sagde. "Det forklarer mysterierne."

Ud over at give en forklaring på strontiumrig barytdannelse i marine miljøer, forskerne sagde, at værket giver ny indsigt til at forstå og manipulere solid opløsnings kernedannelse og vækst, hvilket kan føre til nye metoder til at fjerne giftstoffer fra vand og andre væsker. Det omfatter muligheden for en mere effektiv måde at fjerne strontium fra det producerede vand, der er et resultat af hydraulisk frakturering, sagde Hu.

Hun sagde, at både baryt og strontium ofte findes i det producerede vand; mens det er relativt nemt at fjerne baryt med tilsætning af et sulfat, at fjerne strontium er mere kompliceret. "Vi foreslår, at med en organisk tilstedeværelse, du kan fjerne strontium mere effektivt, "