Железосодержащий минерал с низкой степенью кристалличности может помочь очистить почву от токсичного хрома, одновременно накапливая углерод.
Ученые обнаружили природный железосодержащий минерал, способный связывать токсичный хром в загрязненных почвах, а также удерживать углерод, что открывает потенциальную возможность для низкоэнергетической стратегии очистки промышленных и горнодобывающих территорий.
В исследовании рассматривается шестивалентный хром, или Cr(VI), высокотоксичный и подвижный загрязнитель, часто встречающийся на предприятиях гальванического производства, кожевенных заводах и в отходах горнодобывающей промышленности. Поскольку он легко растворяется в воде, он может распространяться в грунтовые воды и представлять серьезную опасность для здоровья.
Исследователи под руководством профессора Бин Дуна из Университета Тунцзи изучали, как растворенное органическое вещество взаимодействует с различными оксигидроксидами железа для иммобилизации хрома. Их выводы показывают, что не все железосодержащие минералы проявляют одинаковые свойства.
Команда исследователей обнаружила, что низкокристаллические железосодержащие минералы, в частности ферригидрит, значительно эффективнее, чем более кристаллические формы, такие как гетит и гематит, в восстановлении и иммобилизации Cr(VI).
Ферригидрит превосходит свои кристаллические аналоги.
В отличие от более стабильных кристаллических минералов, ферригидрит имеет плохо упорядоченную структуру и высокореактивную поверхность. Это делает его более способным связывать как растворенные органические вещества, так и хром непосредственно на своей поверхности.
Во многих системах очистки химические реакции происходят в окружающей воде до того, как загрязняющие вещества прикрепятся к поверхности. В отличие от этого, ферригидрит способствует процессу, который исследователи описывают как «сначала воздействие на поверхность».
Как органические молекулы, так и хром накапливаются на поверхности минерала, ускоряя восстановление и стабилизацию.
Для закрепления хрома и углерода минерал использует несколько механизмов связывания, включая электростатическую адсорбцию, обмен лигандами и внедрение в кристаллическую решетку. Такая комбинация создает более стабильный путь иммобилизации.
В природе существует встроенная система фильтрации, но не все минералы одинаковы, говорит профессор Бин Донг.
Понимание молекулярного взаимодействия между органическими веществами и железосодержащими минералами позволит нам разрабатывать более эффективные, основанные на природе решения для очистки сильно загрязненных почв шахт, одновременно способствуя поглощению планетой большего количества углерода.
Улавливание углерода и очистка окружающей среды
Этот процесс обеспечивает и дополнительное преимущество. По мере связывания органического вещества с ферригидритом углерод ассоциируется с поверхностью минерала. Это ограничивает его разложение и снижает вероятность его возвращения в атмосферу в виде углекислого газа.
Для подтверждения результатов лабораторных исследований группа провела эксперименты по выщелачиванию с использованием реальных загрязненных грунтов шахт.
При взаимодействии органических веществ с природными железосодержащими минералами в почве подвижность хрома значительно снижалась, что указывает на уменьшение риска загрязнения грунтовых вод.
Для отслеживания молекулярных взаимодействий в ходе реакций исследователи использовали масс-спектрометрию сверхвысокого разрешения и передовую электронную микроскопию.
Эти инструменты позволили им наблюдать за тем, как растворенные органические соединения трансформируются и связываются в процессе восстановления хрома.
Данная работа предлагает основу для разработки стратегий очистки, основанных на использовании природных материалов, а не энергоемких химических методов обработки.
Нацелившись на низкокристаллические железосодержащие минералы, инженеры-экологи смогут повысить эффективность очистки загрязненных хромом территорий непосредственно на месте.
Помимо решения проблемы очистки, полученные результаты также углубляют понимание того, как взаимодействуют циклы железа, углерода и хрома в почвах и отложениях.
Это открытие может повлиять на будущие подходы как к контролю загрязнения, так и к управлению выбросами углерода.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Carbon Research.
Sourse: interestingengineering.com
