Sjældne jordelementer og gamle miner giver problemer for de vestlige amerikanske vandforsyninger

Sjældne jordarters elementer finder vej til Colorados vandforsyninger, drevet af ændringer i klimaet, finder en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Miljøvidenskab og -teknologi .

Sjældne jordarters elementer er nødvendige komponenter i mange computere og andre højteknologiske enheder, som mobiltelefoner og harddiske. Men der er voksende erkendelse af, at de kan være farlige i miljøet selv ved lave koncentrationsniveauer.

"Dette er bekymrende, fordi deres koncentrationer ikke overvåges, og der er ingen vandkvalitetsstandarder fastsat for dem, " siger studieforfatter Diane McKnight, som er INSTAAR Fellow og ingeniørprofessor ved University of Colorado Boulder.

Undersøgelsen er den første til at se på, hvordan sjældne jordarters elementer bevæger sig inden for et vandskel, der er rigt på mineraler. Det er også den første til at undersøge, hvordan klimaændringer, ved at ændre vandløb og naturlige forvitringsprocesser, frigiver flere sjældne jordarters elementer i vandløb.

Diane McKnight har siden 1990'erne ledet sine elever i undersøgelser af vandkvalitet i Snake River-vandskellet i Colorado. Deres hovedfokus har været at måle og observere dræning af sure sten. I denne proces, sten, der indeholder sulfid-baserede mineraler, såsom pyrit, oxideres, når de udsættes for luft og vand. Den resulterende kemiske reaktion producerer svovlsyre og opløste metaller som jern, som løber ud i vandløb. Mere surt vand kan yderligere opløse tungmetaller, som bly, cadmium, og zink, og som det viser sig, kan den også bære sjældne jordarters elementer.

"Det, der virkelig styrer mobiliteten af ​​sjældne jordarters grundstoffer, er pH. Syre udvasker det bogstaveligt talt ud af klipperne, " siger førsteforfatter Garrett Rue, der tog en kandidatgrad ved at studere limnologi hos McKnight og en efterfølgende ph.d. fra CU Boulder.

Dræning af sur sten sker naturligt i det vestlige USA, med sin pyritrige geologi. Men historiske miner, der forstyrrer store mængder sten og jord, forstærker processen dramatisk og forårsager vandforurening nedstrøms.

Inden for Snake River-vandskellet, byer, der er påvirket af sur minedræning, er blevet tvunget til at tilpasse sig dårlig vandkvalitet. Nogle tidligere minedrift boomtowns, ligesom Silverton, importere vand fra fjerne kilder. Andre er afhængige af dyre vandbehandlingsanlæg. Alle fisk i Snake River er på lager, da vandet er for højt indhold af zink til, at nogen hjemmehørende fiskearter kan overleve. Problemet er endemisk for det vestlige USA, siger Rue:"Op mod fyrre procent af udløbene til større floder i Vesten er forurenet af en form for sur mine eller stendræning."

Snake River har lavet et godt naturligt laboratorium til at undersøge både, siden Peru Creek-delen af ​​vandskellet var stærkt udvundet, mens Upper Snake River ikke var det. Men Rue og McKnight fandt ud af, at begge dele af vandskellet nu bidrager med betydelige mængder metaller nedstrøms, da klimaændringer har bragt længere somre og mindre sne om vintrene. Længere, lavere vandløb gør det lettere for metaller at udvaskes i vandskellet, og koncentrere de metaller, der ellers ville blive fortyndet af snesmeltning.

De samme processer, der betyder, at flere tungmetaller finder vej til vandløb, virker også på sjældne jordarters grundstoffer. Forskerne fandt sjældne jordarters elementer i hele Snake River. "Vi dokumenterede et koncentrationsområde på et til hundredvis af mikrogram pr. liter - adskillige størrelsesordener højere end typisk for overfladevand - med de højeste koncentrationer nærmest udspringene og områder, der modtager dræning fra forladte minedrift, " siger Rue.

De dokumenterede også, at stigninger i sjældne jordarters elementer i Snake River svarede til opvarmende sommerlufttemperaturer, og at sjældne jordarters grundstoffer ophobes i insekter, der lever i vandløb i koncentrationer, der kan sammenlignes med andre metaller såsom bly og cadmium, der er vist at være giftige.

"Vi begynder at forstå, at når sjældne jordarters elementer kommer i vandet, de plejer at blive der, " siger Rue. "De fjernes heller ikke af traditionelle behandlingsprocesser, hvilket har konsekvenser for genbrug og har fået nogle europæiske byer til at udpege REE'er som en ny forurening til drikkevandsforsyninger. Og i betragtning af at Snake River løber direkte ind i Dillion Reservoir, som er Denvers største kilde til lagret vand, det kan være en bekymring for fremtiden."

Forskerne foreslår, at undersøgelse og investering i teknologier til at genvinde sjældne jordarters grundstoffer fra naturlige farvande kunne give værdifulde råvarer og hjælpe med at løse problemerne forbundet med dræning af sure sten og mine. som er klar til at blive værre i takt med at klimaet skifter.

"Sjældne jordarters grundstoffer bruges til at lave en masse produkter. Men det meste af forsyningen kommer fra Kina. Så vores regering har ledt efter kilder, men samtidig har minedrift sat et uudsletteligt præg på Vestens farvande, " siger Rue. "Hvis vi kan høste nogle af disse materialer, der allerede kommer ind i vores miljø, det kan være umagen værd at behandle det vand og genvinde disse materialer på samme tid."

"Dette problem bliver værre, og vi er nødt til at håndtere det, " tilføjer McKnight. "Hvis vi kan løse problemet holistisk, vi kan have en værdifuld ressource og også tænke på klimatilpasning."