Tout le monde sait que la combustion du charbon provoque une air pollution de l’air nuisible au climat et à la santé humaine. Mais les cendres restantes peuvent souvent être également nocives.
Par exemple, Duke Strength a longtemps stocké une forme liquéfiée de cendres de charbon dans 36 grands bassins à travers les Carolines. Tout a changé en 2014, lorsqu’un déversement sur son internet site de Dan River a rejeté 27 thousands and thousands de gallons d’eau de bassin de cendres dans l’environnement nearby. L’incident a soulevé des inquiétudes quant aux dangers associés à des quantités même infimes d’éléments toxiques comme l’arsenic et le sélénium dans les cendres. Cependant, on savait peu de choses sur la quantité de ces matières dangereuses présentes dans l’eau de cendre ou sur la facilité avec laquelle elles pouvaient contaminer l’environnement environnant.
Les craintes de futurs déversements et infiltrations ont poussé Duke Electricity à accepter de payer 1,1 milliard de pounds pour mettre hors company la plupart de ses bassins de cendres de charbon au cours des années à venir. Pendant ce temps, les chercheurs travaillent sur de meilleures façons d’utiliser les cendres, comme les recycler pour récupérer des éléments de terres rares précieux ou les incorporer dans des matériaux de design comme le béton. Mais pour mettre en œuvre toute resolution potentielle, les chercheurs doivent encore savoir quelles sources de cendres de charbon présentent un risque dangereux en raison de sa composition chimique – une query à laquelle les scientifiques ont encore du mal à répondre.
Dans un nouvel posting publié le 6 juin dans la revue Environmental Science : Nano, des chercheurs de l’Université Duke ont découvert que ces réponses peuvent rester insaisissables car or truck personne ne pense assez petit. En utilisant l’une des sources de lumière synchrotron les in addition récentes et les as well as avancées au monde – la resource de lumière synchrotron nationale II du laboratoire national de Brookhaven – les auteurs montrent que, au moins pour le sélénium et l’arsenic, la quantité d’éléments toxiques capables de s’échapper du charbon les cendres dépendent en grande partie de leurs structures à l’échelle nanométrique.
“Ces résultats montrent à quel point la cendre de charbon est complexe en tant que matériau”, a déclaré Helen Hsu-Kim, professeur de génie civil et environnemental à l’Université Duke. “Par exemple, nous avons vu de l’arsenic et du sélénium soit attachés à la area de particules à grains fins, soit encapsulés à l’intérieur de celles-ci, ce qui explique pourquoi ces éléments s’échappent de certaines sources de cendres de charbon in addition facilement que d’autres.”
On sait depuis longtemps que les facteurs de l’environnement, tels que le pH, affectent la capacité des éléments toxiques à se déplacer de la source vers l’environnement. Dans des recherches antérieures, Hsu-Kim a montré que la quantité d’oxygène dans l’environnement d’une toxine peut grandement affecter sa chimie et que différentes resources de cendres de charbon produisent des niveaux de sous-produits très différents.
Mais ce n’est pas parce qu’une supply de cendres de charbon est riche en arsenic que cela signifie nécessairement que de grandes quantités d’arsenic en sortiront. De même, diverses resources de cendres réagissent différemment aux mêmes situations environnementales. Le problème est complexe, c’est le moins qu’on puisse dire. Pour adopter une approche différente, Hsu-Kim a décidé d’examiner de in addition près la resource elle-même.
“Les chercheurs sur le terrain utilisent généralement la microscopie à rayons X avec une résolution d’un ou deux micromètres, ce qui correspond à peu près à la même taille que les particules de cendres volantes elles-mêmes”, a déclaré Hsu-Kim. “Donc, si une seule particule est un seul pixel, vous ne voyez pas comment les éléments sont répartis à travers elle.”
Pour réduire les pixels de ces photos à l’échelle nanométrique, Hsu-Kim s’est tournée vers Catherine Peters, professeur de génie civil et environnemental à l’Université de Princeton, et ses collègues pour acquérir du temps sur la National Synchrotron Gentle Source II. La machine futuriste crée des faisceaux lumineux 10 milliards de fois as well as brillants que le soleil pour révéler la construction chimique et atomique des matériaux à l’aide de faisceaux lumineux allant de l’infrarouge aux rayons X durs.
Les capacités de Brookhaven ont pu fournir aux chercheurs une carte à l’échelle nanométrique de chaque particule ainsi que la distribution des éléments dans chaque particule. L’incroyable résolution a révélé que la cendre de charbon est une compilation de particules de toutes sortes et de toutes tailles.
Par exemple, dans un échantillon, les chercheurs ont vu des nanoparticules individuelles de sélénium qui étaient attachées à de as well as grosses particules de cendre de charbon, qui est une forme chimique de sélénium qui n’est probablement pas très soluble dans l’eau. Mais la plupart des cendres contenaient de l’arsenic et du sélénium soit enfermés à l’intérieur de grains individuels, soit attachés à la surface avec des liaisons ioniques relativement faibles qui se brisent facilement.
“C’était presque comme si nous voyions quelque selected de différent dans chaque échantillon que nous avons examiné”, a déclaré Hsu-Kim. “Le large éventail de différences achieved vraiment en évidence la raison pour laquelle la principale caractéristique qui nous intéresse – la quantité de ces éléments qui s’échappent des cendres – varie tellement entre les différents échantillons.”
Bien que personne ne puisse dire avec certitude ce qui fait que la cendre de charbon développe sa composition distinctive, Hsu-Kim suppose que cela est probablement principalement lié à la façon dont le charbon s’est formé à l’origine il y a des hundreds of thousands d’années. Mais cela pourrait aussi avoir quelque chose à voir avec les centrales électriques qui brûlent le charbon. Certaines usines injectent du charbon actif ou de la chaux dans les gaz de combustion, qui captent respectivement les émissions de mercure et de soufre. À 1000 degrés Fahrenheit, les toxines telles que l’arsenic et le sélénium dans la cheminée sont gazeuses, et la physique qui dicte comment les particules vont se refroidir et se recombiner pour former des cendres est incontrôlable.
Mais quel que soit le comment, les chercheurs savent maintenant qu’ils doivent accorder une as well as grande focus aux détails fins contenus dans les résultats finaux.
Ce travail a été soutenu par le Département américain de l’énergie (DE-FE0031748) et l’Institut countrywide des sciences de la santé environnementale (5U2C-ES030851). Cette recherche a utilisé les ressources de l’installation des utilisateurs du Bureau des sciences du DOE des États-Unis à l’installation de resource lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford exploitée par le Laboratoire countrywide des accélérateurs SLAC (DE-AC02-76SF0051) et à la ligne de faisceau de nanoprobe à rayons X durs (HXN) à 3-ID du National Set up Synchrotron Gentle Supply II exploitée par le Laboratoire countrywide de Brookhaven (DE-SC0012704).