Исследование показало, насколько хорошо токсичные элементы выщелачиваются из угольной золы, зависит от наноразмерного состава золы.

Всем известно, что сжигание угля приводит к загрязнению воздуха, что вредно для климата и здоровья человека. Но оставшаяся зола тоже может быть вредной.

Например, Duke Energy уже давно хранит сжиженную форму угольной золы в 36 крупных резервуарах по всей Каролине. Все изменилось в 2014 году, когда в результате разлива на реке Данн в местную окружающую среду было выброшено 27 миллионов галлонов золошлаковой воды. Авария вызвала обеспокоенность по поводу рисков, связанных даже с следовыми количествами токсичных элементов, таких как мышьяк и селен, в золе. Однако мало что было известно о количестве этих опасных веществ, присутствующих в золе, и о том, насколько легко они загрязняют окружающую среду.

Обеспокоенность по поводу будущих разливов и разливов заставила Duke Energy согласиться заплатить 1,1 миллиарда долларов за вывод из эксплуатации большей части своих угольных золоотвалов в ближайшие годы. Между тем, исследователи работают над лучшими способами использования золы, например, перерабатывая ее для извлечения ценных редкоземельных элементов или добавляя ее в строительные материалы, такие как бетон. Но чтобы применить какое-либо потенциальное решение на практике, исследователям еще предстоит выяснить, какие источники угольной золы представляют серьезную опасность из-за их химического состава — вопрос, на который ученые все еще пытаются ответить.

В новой статье, опубликованной в Наука об окружающей среде: наноИсследователи из Университета Дьюка обнаружили, что эти ответы могут оставаться неуловимыми, потому что никто не думает достаточно усердно. Используя один из новейших и наиболее совершенных синхротронных источников света в мире — Национальный источник синхротронного света II в Брукхейвенской национальной лаборатории — авторы показывают, что, по крайней мере для селена и мышьяка, количество токсичных элементов, способных выйти из угольной золы, во многом зависит от их наноструктуры.

«Эти результаты показывают сложность угольной золы как материала», — сказала Хелен Хсу Ким, профессор гражданской и экологической инженерии в Университете Дьюка. «Например, мы видели, что мышьяк и селен либо связаны с мелкозернистой поверхностью, либо инкапсулированы внутри них, что объясняет, почему эти элементы выщелачиваются из одних источников угольной золы легче, чем из других».

Давно известно, что факторы окружающей среды, такие как pH, влияют на перенос токсичных элементов из источника в окружающую среду. В предыдущем исследовании Хсу-Ким показал, что количество кислорода в непосредственной близости от токсинов может сильно влиять на их химический состав, и что различные источники угольной золы производят совершенно разные количества побочных продуктов.

Но только потому, что источник угольной золы содержит большое количество мышьяка, не обязательно означает, что из него выщелачивается большое количество мышьяка. Точно так же разные источники золы по-разному реагируют на одни и те же условия окружающей среды. Проблема сложная, мягко говоря. Чтобы применить другой подход, Сюй-Ким решил поближе взглянуть на сам источник.

«Исследователи в этой области обычно используют рентгеновскую микроскопию с разрешением в один или два микрометра, что примерно того же размера, что и сами частицы летучей золы», — сказал Сюй Ким. «Поэтому, если одна частица представляет собой один пиксель, вы не видите, как элементы распределяются по нему».

Чтобы уменьшить пиксели на этих изображениях до наномасштаба, Сюй-Ким обратился к Кэтрин Питерс, профессору гражданской и экологической инженерии в Принстонском университете, и ее коллегам, чтобы выиграть время на Национальном источнике синхротронного света II. Футуристическая машина создает лучи света в 10 миллиардов раз ярче Солнца, раскрывая химический и атомный состав материалов, используя световые лучи в диапазоне от инфракрасного до жесткого рентгеновского.

Возможности Брукхейвена смогли предоставить исследователям нанокарту каждой частицы с распределением элементов в каждой частице. Поразительное разрешение показало, что угольная зола представляет собой совокупность частиц всех типов и размеров.

Например, в одном образце исследователи увидели отдельные наночастицы селена, связанные с более крупными частицами угольной золы, химической формы селена, которая, вероятно, плохо растворяется в воде. Но большая часть золы содержит мышьяк и селен, либо запертые в отдельных зернах, либо прикрепленные к поверхности относительно слабыми ионными связями, которые легко разрушаются.

«Мы как будто видели что-то новое в каждом образце, который мы рассматривали», — сказал Сюй Ким. «Действительно широкий диапазон различий подчеркивает, почему ключевая характеристика, которая нас интересует, — сколько золы пропускают эти элементы — так сильно различается между разными образцами».

Хотя никто не может точно сказать, что заставляет угольную золу приобретать свой уникальный состав, Сюй Ким считает, что это, вероятно, в основном связано с тем, как уголь первоначально образовался миллионы лет назад. Но это также может иметь какое-то отношение к угольным электростанциям. Некоторые заводы вводят в дымовые газы активированный уголь или известь, которые соответственно улавливают выбросы ртути и серы. При температуре 1000 градусов по Фаренгейту такие токсины, как мышьяк и селен в дымовых трубах, являются газообразными, а физика, определяющая, как частицы охлаждаются и рекомбинируются с образованием пепла, не поддается контролю.

Но каким бы ни был метод, исследователи теперь знают, что они должны уделять больше внимания более мелким деталям, заключенным в окончательных результатах.