Nano-dekorationer i naturens underjordiske vandfilter

Når bakterier og vira kommer i brøndvand og gør folk syge, ofte kommer forureningen efter kraftig regn eller oversvømmelser. I 2000, mere end 2, 300 mennesker i Walkerton, Ontario, blev syg, da efter usædvanlig kraftig regn. E coli bakterier fandt vej til drikkevandsboringer. Syv mennesker døde.

Årsagen ser ud til at være ligetil - det ekstra grundvand fejer bakterierne mod brøndene. Men på det mikroskopiske plan, spørgsmålet er mere kompliceret og mystisk. Geoscientist William Johnson fra University of Utah studerer, hvordan forurenende stoffer - herunder bakterier og vira - bevæger sig gennem grundvand. Efter mange års arbejde med dette problem, Johnson har fundet et svar, der kan hjælpe vandforvaltere bedre med at forberede sig på og reagere på udbrud forårsaget af regn og oversvømmelser.

Svaret involverer kemi, fysik... og en lille smule dekorativ nanovidenskab.

Johnson og hans kolleger fra Columbia University og fra Ecuador offentliggjorde deres arbejde i dag i Miljøvidenskab og teknologi og blev støttet af National Science Foundation.

Molekyler, partikler og kolloider

Grundvandsforskere ved, at for at forudsige, hvor langt eller hvor hurtigt en forurening vil bevæge sig, de skal først forstå, hvor godt den forurening klæber til sedimentkorn undervejs. Mange forurenende stoffer, såsom nitrat eller arsen, er små molekyler, der består af kun et par atomer hver. Men suspenderede partikler (kaldet kolloider) inklusive vira, bakterier og protozoer er tusinder til millioner af gange større end molekyler. Størrelsesforskellen får molekyler og kolloider til at reagere forskelligt på kræfterne omkring dem, på samme måde som myg og luftskibe adskiller sig i, hvor tilfældige deres bevægelser er, og i deres evner til at gemme sig for vinden. De faktiske kræfter på spil mellem forurenende stoffer og sedimentoverflader er relateret til de elektrostatiske kræfter mellem balloner og hår og van der Waals-kræfterne, der holder gekkoer på lofter, som er langt stærkere for kolloider end molekyler. Selvom forskerne har en god idé om, hvordan forurenende stoffer i molekylstørrelse bevæger sig gennem grundvandet, kolloidernes opførsel er sværere at fastlægge på grund af størrelsesforskellen.

Fordi store kolloider har begrænset tilfældig bevægelse, deres sandsynlighed for at ramme sedimentkornoverflader i grundvand er faktisk forudsigelig, svarende til at forudsige banen for svømmere, der kastes ud fra en tømmerflåde i en hurtig kampestenfyldt strøm. Nogle kolloider flyder lige igennem, mens andre dem, der befinder sig på en kurs på vej direkte til en kampesten, vil sandsynligvis opsnappe kampestenen.

Men at opsnappe kampestenen er det halve trick for at komme op af vandet, siden efter at have fundet et landingssted, en svømmer (eller kolloid) skal "holde landingen." Hvis kolloidet og sedimentet har modsatte elektriske ladninger, kolloiderne klæber, når de rammer overfladen, og deres koncentrationer i grundvandet er forudsigelige, da de falder eksponentielt med afstanden fra forureningskilden.

Men i miljøet, forholdene er normalt ugunstige for tilknytning. Begge overflader har tendens til at være negativt ladede og frastøde hinanden. Under disse forhold, Johnson siger, kolloidkoncentrationerne har et skævt forhold til afstande fra deres kilde, der har, indtil nu, gjort forudsigelse af transportafstande næsten umuligt.

Når konventionelle målinger af overfladeegenskaber anvendes i eksisterende kolloid vedhæftningsteori, "teorien dømmer, at ingen holder fast ved landingen, "Johnson siger. "Intet bør nogensinde vedhæfte under miljøforhold."

Men partikler sætter sig fast. Sediment kan være et effektivt filter, som vist af mange laboratorieforsøg og felteksperimenter gennem de seneste årtier. For eksempel, Johnson og hans elever har kørt eksperimenter i Ecuador, hvor de har vist, at udgravning af kanaler ved siden af ​​minedriftspåvirkede floder lokker vandstrømmen gennem grusbredden, som fjerner op til 95 procent af kviksølv.

Engineering kolloid fjernelse kan også hjælpe med at beskytte andre vandressourcer, men en sådan konstruktion vil kræve nøjagtig forudsigelse af, om "fastsættelse af landingen" vil forekomme. Så, hvad får nogle ting til at klæbe til sediment (tungmetaller i Ecuador), men nogle ting ikke (bakterier efter kraftig regn)? Det er her, dekorativ nanovidenskab kommer ind i historien.

Dekorativ nanovidenskab

I mere end to årtier, forskere vidste, at teorien om kolloidtilknytning var ufuldkommen, fordi teorien behandlede både kolloidet og overfladen som et bulkstof, med de samme egenskaber overalt. På nanoskala, selvom, there's tremendous variation across the surfaces, both in shape and in chemistry. For omkring 10 år siden, researchers at the University of Massachusetts developed a simpler way to represent areas of varying properties on surfaces as akin to decorations on an Easter egg or patches of color on an impressionist painting.

Johnson, his graduate students and colleagues took the concept farther starting in 2014 to try to match this "decorative" theory to experiments of colloids moving through sediments. Colloids and surfaces, according to the decorative theory, interact over a limited zone of interaction that expands with increased colloid size and expands with decreased ionic strength—the concentration of dissolved ions in the water.

Sticking the landing depends on whether attractive surface domains fill the majority of the zone of interaction, making the interaction net attractive. Amid the balance of attractive decoration size, colloid size, ionic strength and water velocity, the new theory shows how colloids can stick. By varying colloid size, ionic strength and water velocity, Johnson's group found a representation of the "decorations" that explains colloid attachment under environmental conditions.

But other phenomena also emerged from simulations that now incorporated "decorated" sediments—phenomena that he and colleagues explored in their new paper. Some colloids attach rapidly and some attach slowly as they sniff around for spots on sediments onto which they can stick their landing, Johnson's simulations show. They also show a range of "residence times" for colloids as they hang around a sediment surface.

"When you stick these residence times into simple relationships for upscaling to predict transport at larger distances, " Johnson says, "out come the previously unpredictable relationships for colloid concentration as a function of transport distance. Now we can finally predict them."

Især a potential explanation of the relationship between heavy rainfall and disease outbreak in groundwater also emerges from the simulations. Groundwater naturally has a higher ionic strength than fresh rain water due to underground water-rock chemistry. But during heavy rain, groundwater can shift to lower ionic strength. The zone of colloid-surface interaction expands, which can flip the overall interaction from attractive to repulsive. "You reduce the ionic strength like you would in heavy rainfall, " Johnson says. "The zone of interaction expands beyond the attractive nanoscale "decoration", the interaction flips from net attractive to net repulsive, and off the thing pops." Now, Johnson says, water managers have more tools to prevent disease outbreaks like the one in Ontario. For eksempel, "we had no transport equations to guide how far you should put a septic system from a drinking water well, " Johnson says. Environmental professionals sometimes add particles of carbon or iron to groundwater to enhance cleanup of contamination. "They have had no practical design guidance because the theory has failed until recently, " Johnson adds. "We now have predictive tools to optimize the fluid velocity to deliver iron or carbon particles to their target."

Johnson is excited to see the convergence of theory and experimental evidence in this paper, advancing a field that he has been working in for years. "We've backed out a characteristic that is likely representative. Things that we observe at larger scales emerge from representing phenomena at the nano to pore scale, "he says. "To me, that's really satisfying."