Forskning identificerer kemiske mekanismer, der viser, hvordan jern i jord kan immobilisere arsen

Sandia National Laboratories forskere har opdaget mekanismen til at "tænde" jern, der findes i lermineralstrukturer, fører til forståelsen af, hvordan man gør jern reaktivt under iltfrie forhold.

Denne forskning vil hjælpe forskere med at forstå og forudsige, hvordan forurenende stoffer, såsom arsen, selen og krom, bevæge sig gennem miljøet og komme ud i vandveje. Disse kemiske principper kan anvendes til at udvikle naturlige jordbarrierer for at fjerne disse forurenende stoffer fra vand og lave reaktive membraner, som kan omdanne forurenende stoffer under vandfiltreringsprocessen.

Værket er omtalt på forsiden af ​​et nyligt nummer af Miljøvidenskab:Nano i et papir med titlen, "'Tænder' jern i lermineraler, " af Sandia-forskere Anastasia Ilgen, Kevin Leung og Rachel Washington og Ravi Kukkadapu fra Pacific Northwest National Laboratory. Arbejdet er finansieret af Institut for Energis Grunduddannelse i Energividenskab.

Forståelse af jernreaktioner

"I geovidenskab, vi har i årtier erkendt, at forståelsen af, hvordan jern reagerer, er afgørende for at forstå, hvordan forurenende stoffer bevæger sig og transformerer sig i miljøet, " sagde hovedforfatter Ilgen.

Jern er en nøglebestanddel af jordskorpen og det fjerde mest almindelige element. Jernholdige mineraler udgør en stor del af jord og sedimentære bjergarter. Adsorption og kemiske omdannelser på jernholdige mineralske overflader definerer skæbnen og transporten af ​​kemikalier i miljøet. Adsorption, som er vedhæftning af forurenende stoffer på mineralske overflader, og kemiske reaktioner på disse mineraloverflader styrer, hvordan disse kemikalier bevæger sig gennem miljøet.

Ilgen forklarer, at jern i jord kan eksistere i to oxidationstilstande:reduceret og oxideret. Dette er vigtigt, fordi jern konstant cykler mellem disse former som reaktion på små ændringer i jordbundsforholdene.

"Lermineraler er meget almindelige i jord, og de indeholder ofte jern i deres strukturer, " sagde hun. "Overfladerne af lermineraler, som kun indeholder oxideret jern, er ikke reaktive. De adsorberer arsen, men forvandl det ikke kemisk. Imidlertid, de samme overflader bliver reaktive, så snart en mindre mængde reduceret jern indføres i lermineralets struktur."

Indtil nu, det var ukendt, hvordan og hvorfor lermineraler med spormængder af reduceret jern reagerer, når der ikke er ilt til stede.

"Vi har opdaget den mekanisme, hvorved oxideret jern i lermineralstrukturer reagerer under iltfrie forhold, og hvorfor spormængder af reduceret jern er nødvendige for at reaktionerne kan finde sted, sagde Ilgen.

Team udfører arbejde ved hjælp af forskellige værktøjer, metoder

Ved hjælp af eksperimentelle værktøjer, holdet udpegede de nøjagtige kemiske steder i lermineraler, der reagerede med arsen. Holdet viste, at jernatomer placeret ved kanterne af lermineraler var reaktive, og for at reaktionerne kan finde sted, skal disse steder indeholde både reduceret og oxideret jern.

Holdet brugte beregningsmetoder til at beregne den energi, der kræves for at oxidere arsen, som adsorberes på et sted, der udelukkende indeholder oxideret jern versus et sted med både oxideret og reduceret jern. Disse beregninger viste, at termodynamisk tilsætning af et reduceret jern ved siden af ​​et oxideret jern ikke gør oxidationen af ​​arsen mere gunstig.

Derefter, spørgsmålet bliver, hvorfor er stederne reaktive i miljøet? Ved hjælp af spektroskopisk analyse, holdet viste, at for en forurening, såsom arsen, at oxidere på overfladen af ​​et lermineral, det skal fortrænge vandmolekyler fra det lerminerals overflade. At løsne et vandmolekyle er et nødvendigt kemisk trin for at binde arsen, for at kunne oxidere det på lermineraloverfladen.

Beregninger viser, at fjernelse af vand fra et sted med både reduceret og oxideret jern bruger mindre energi sammenlignet med et sted, der kun indeholder oxideret jern. Fordi det bruger mindre energi, det er lettere først at vedhæfte og derefter oxidere arsen på denne type kemiske steder på lermineraloverfladen, og det er derfor, reaktionen finder sted.

At forstå denne mekanisme hjælper med at forklare skæbnen og transporten af ​​redoxfølsomme næringsstoffer og forurenende stoffer i miljøet, og hvorfor nogle af disse fortsætter i oxiderede former selv i fravær af opløst ilt.

Fortsat forskning i jern i forskellige naturlige mineraler

Ilgen sagde, at holdet vil fortsætte med at forske i de kemiske mekanismer, der styrer reaktiviteten af ​​jern i forskellige naturlige mineraler og vil udforske de betingelser, der kræves for, at jern kan være reaktivt i jord og sedimentære bjergarter.

Holdet vil bruge denne viden til bedre at forstå den miljømæssige skæbne og transport af forurenende stoffer og næringsstoffer, og potentielt designe reaktive barrierer for at forhindre forurenende stoffer i at trænge ind i vandvejene.