Проблемы с угольной золой начались меньше, чем кто-либо думал

Например, компания Duke Energy долгое время хранила угольную золу в сжиженном виде в 36 больших прудах по всей Каролине. Все изменилось в 2014 году, когда в результате разлива на участке реки Дэн в окружающую среду попало 27 миллионов галлонов воды из пруда с пеплом. Инцидент вызвал обеспокоенность по поводу опасностей, связанных даже с незначительными количествами токсичных элементов, таких как мышьяк и селен, в пепле. Однако мало что было известно о том, сколько этих опасных материалов присутствовало в золовой воде и насколько легко они могли загрязнить окружающую среду.

Опасения по поводу будущих разливов и утечки вынудили Duke Energy согласиться заплатить 1,1 миллиарда долларов за вывод из эксплуатации большинства своих прудов для угольной золы в ближайшие годы. Тем временем исследователи работают над лучшими способами использования золы, например, ее переработкой для извлечения ценных редкоземельных элементов или включением ее в строительные материалы, такие как бетон. Но чтобы реализовать любое потенциальное решение, исследователи все равно должны знать, какие источники угольной золы представляют собой опасный риск из-за ее химического состава – вопрос, на который ученые до сих пор не могут ответить.

В новой статье, опубликованной 6 июня в журнале Наука об окружающей среде: нано, исследователи из Университета Дьюка обнаружили, что эти ответы могут оставаться недостижимыми, поскольку никто не мыслит достаточно мелко. Используя один из новейших и наиболее совершенных источников синхротронного 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 угля, зола во многом зависит от их наноразмерной структуры.

«Эти результаты показывают, насколько сложным является угольная зола как материал», — сказала Хелен Сюй-Ким, профессор гражданского и экологического строительства в Университете Дьюка. «Например, мы видели мышьяк и селен, либо прикрепленные к поверхности мелкозернистых частиц, либо инкапсулированные внутри них, что объясняет, почему эти элементы выщелачиваются из некоторых источников угольной золы легче, чем из других».

Давно известно, что факторы окружающей среды, такие как pH, влияют на то, насколько хорошо токсичные элементы могут перемещаться от источника к окружающей среде. В предыдущих исследованиях Сюй-Ким показал, что количество кислорода в окружении токсина может сильно влиять на его химический состав и что разные источники угольной золы производят совершенно разные уровни побочных продуктов.

Но тот факт, что один из источников угольной золы имеет высокое содержание мышьяка, не обязательно означает, что из него будет вымываться большое количество мышьяка. Аналогичным образом, различные источники золы по-разному реагируют на одни и те же условия окружающей среды. Проблема, мягко говоря, сложная. Чтобы применить другой подход, Сюй-Ким решил еще более внимательно изучить 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 отдельная частица представляет собой один пиксель, вы не видите, как элементы распределены по нему».

Чтобы уменьшить пиксели этих изображений до наномасштаба, Сюй-Ким обратился к Кэтрин Питерс, профессору гражданской и экологической инженерии в Принстонском университете, и ее коллегам, чтобы получить время на Национальный источник синхротронного света II. Футуристическая машина создает световые лучи в 10 миллиардов раз ярче солнечных, чтобы раскрыть химическую и атомную структуру материалов, используя лучи света в диапазоне от инфракрасного до жесткого рентгеновского излучения.

Возможности Брукхейвена позволили предоставить исследователям наномасштабную карту каждой частицы, а также распределение элементов в каждой частице. Невероятное разрешение показало, что угольная зола представляет собой совокупность частиц всех видов и размеров.

Например, в одном образце исследователи увидели отдельные наночастицы селена, прикрепленные к более крупным частицам угольной золы, которая представляет собой химическую форму селена, которая, вероятно, плохо растворяется в воде. Но большая часть пепла содержала мышьяк и селен, либо запертые внутри отдельных зерен, либо прикрепленные к поверхности относительно слабыми ионными связями, которые легко разрываются.

«Как будто в каждом образце, который мы рассматривали, мы видели что-то новое», — сказал Сюй-Ким. «Широкий спектр различий действительно подчеркивает, почему главная характеристика, которая нас волнует – сколько этих элементов выщелачивается из золы – так сильно различается между разными образцами».

Хотя никто не может сказать наверняка, что заставляет угольную золу приобретать свой уникальный состав, Сюй-Ким предполагает, что это, вероятно, главным образом связано с тем, как уголь первоначально образовался миллионы лет назад. Но это также может быть связано с электростанциями, сжигающими уголь. Некоторые заводы впрыскивают в дымовые газы активированный уголь или известь, которые улавливают выбросы ртути и серы соответственно. При температуре 1000 градусов по Фаренгейту токсины, такие как мышьяк и селен, в дымоходе находятся в газообразном состоянии, и физика, определяющая, как частицы будут охлаждаться и рекомбинироваться с образованием пепла, не поддается контролю.

Но независимо от того, как именно, исследователи теперь знают, что им следует уделять более пристальное внимание мелким деталям, заключенным в конечных результатах.

Эта работа была поддержана Министерством энергетики США (DE-FE0031748) и Национальным институтом наук о здоровье окружающей среды (5U2C-ES030851). В этом исследовании использовались ресурсы Центра пользователей Управления науки Министерства энергетики США в Стэнфордском центре источника синхротронного излучения, которым управляет Национальная ускорительная лаборатория SLAC (DE-AC02-76SF0051), а также на линии луча нанозондов жесткого рентгеновского излучения (HXN) в 3-ID Национального университета США. Установка Synchrotron Light Source II, управляемая Брукхейвенской национальной лабораторией (DE-SC0012704).