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    Pequeña escala grandes mejoras

    Crédito:George Hodan / dominio público

    Los métodos para mejorar la purificación del agua o construir mejores baterías son problemas que han desafiado a los científicos durante décadas. Los avances han avanzado poco a poco, pero el aumento de la demanda aleja cada vez más la línea de meta.

    Al mismo tiempo, las reacciones químicas que hacen posibles estas mejoras ocurren a escalas invisibles a simple vista (la escala atómica) donde los líquidos y las superficies sólidas se encuentran, haciendo el trabajo aún más difícil.

    Saber cómo se producen estas interacciones químicas en la interfaz sólido-líquido es fundamental en problemas de gran interés para el Departamento de Energía (DOE), particularmente en lo que se refiere a cuestiones ambientales y de calidad del agua que pueden verse afectadas por actividades de producción de energía a gran escala.

    Ahora, una nueva técnica desarrollada por un equipo que incluye al profesor Neil Sturchio de la Universidad de Delaware y sus colegas del Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Illinois en Chicago ha producido observaciones en tiempo real que documentan las reacciones químicas que ocurren entre líquidos y sólidos.

    La técnica proporciona datos que pueden usarse para mejorar las predicciones de cómo se moverán los nutrientes y contaminantes en los sistemas naturales o para medir la efectividad de los métodos de purificación de agua donde el intercambio iónico es fundamental para la desinfección.

    También puede ayudar a los científicos a descubrir los factores limitantes de los supercondensadores:dispositivos robustos de almacenamiento de energía que a menudo se utilizan sobre baterías comunes para alimentar productos electrónicos de consumo. vehículos híbridos, incluso gran potencia a escala industrial.

    Intercambio de energía en reacciones químicas.

    Sturchio, un geoquímico, ha estudiado las interacciones entre minerales y agua durante 25 años con fondos del DOE. Él y sus colaboradores demostraron recientemente una nueva forma de estudiar la estructura microscópica y los procesos que ocurren donde los minerales y el agua se encuentran. utilizando haces de rayos X para desencadenar las reacciones mientras captura imágenes de sus efectos en la superficie del mineral.

    Ahora, usando un método llamado Reflectividad de rayos X anómala resonante (RAXR), los investigadores pueden ir un paso más allá y distinguir la identidad del elemento en estudio.

    "Con nuestros métodos anteriores, pudimos ver el perfil de densidad de electrones a escala atómica de la región interfacial, una zona de nanómetros de espesor que incluye la superficie mineral y la solución adyacente, pero no pudimos identificar de manera única las capas atómicas, "dijo Sturchio, profesor y catedrático del Departamento de Ciencias Geológicas de la Facultad de la Tierra de la UD, Oceano, y Medio Ambiente.

    La técnica requiere un cristal de alta calidad, por lo que los investigadores seleccionaron mica, un mineral similar en estructura a los abundantes minerales arcillosos en los suelos que produce un cristal atómicamente plano útil en investigaciones de laboratorio de propiedades interfaciales.

    Los investigadores reflejaron un intenso haz de rayos X de una muestra de mica en contacto alterno con dos soluciones de sal diferentes que contienen rubidio y cloruro de sodio. Al cambiar el ángulo del haz, los científicos pudieron escanear el perfil interfacial a escala atómica. Al cambiar la energía del haz en un ángulo fijo, podrían aislar la distribución de iones rubidio en la región interfacial.

    "En este caso, podemos sintonizarnos y preguntarnos específicamente dónde está el rubidio. ¿Cómo se adhiere al cristal de mica y cómo se libera en la solución? ", Dijo.

    Según Sturchio, la mayoría de las reacciones químicas en el agua subterránea y en la atmósfera, así como durante los procesos industriales, incluida la purificación del agua y algunas formas de almacenamiento de energía, ocurren en superficies como electrodos o partículas. A medida que ocurre una reacción química, los iones se activan o arrancan y se intercambia energía. Comprender cuantitativamente cómo se intercambian los iones a esta escala se puede utilizar para diseñar procesos químicos para mejorar la purificación del agua o comprender cómo se transportan los contaminantes en el suelo y las aguas subterráneas.

    En este proyecto, los investigadores querían ver qué se necesitaría para obtener el rubidio, un metal alcalino, para liberar de la superficie de la mica una vez que se adjuntó. Lo lograron cambiando rápidamente la solución que fluía sobre el cristal de mica de cloruro de rubidio a un cloruro de sodio más concentrado, luego cronometró la reacción para determinar cuánto tiempo tardaron los iones de rubidio en liberarse (desorber) de la mica y para que los iones de cloruro de sodio ocuparan su lugar (adsorber).

    Generalmente, Se cree que las reacciones de adsorción ocurren en milisegundos, pero aquí se necesitaron 25 segundos para que el rubidio se liberara de la superficie (desorción) y los iones de sodio ocuparan su lugar (adsorción).

    Cuanto más cerca estaba el rubidio de la interfaz mineral / agua, cuanto más fija se volvía su posición (debido a la energía electrostática, del tipo que hace que un globo se adhiera a una pared después de frotarlo contra un suéter) y más energía se requiere para sacarlo de la mica. En cambio, Cuantas más moléculas de agua haya entre la superficie del cristal y el ion rubidio, cuanto más margen de maniobra tenía el rubidio en su posición y menos energía necesitaba separarse. Los experimentos ayudaron a cuantificar las diminutas cantidades de energía transferidas durante el intercambio de iones alcalinos en esta interfaz, y la participación de moléculas de agua en el mecanismo de reacción.

    La reacción fue más lenta de lo que anticiparon los investigadores, y aunque se requieren más estudios, están de acuerdo en que los resultados proporcionan evidencia para comprender los plazos necesarios para que se produzcan las reacciones deseadas.

    Por el contrario, cuando las soluciones se volvieron a cambiar, el rubidio se adsorbió en la superficie de la mica mucho más rápidamente de lo que se desorbió, al deshacerse de sus moléculas de agua unidas, demostrando que la hidratación es importante para la reacción.

    "Para diseñar un proceso industrial, es necesario saber exactamente qué está sucediendo en la superficie, "Dijo Sturchio." Por lo que sabemos, esta es la primera vez que alguien ha documentado información tan detallada sobre cómo se producen estas reacciones de intercambio iónico en una superficie mineral en contacto con el agua, y en este caso, tenemos buena evidencia de cuánto tiempo lleva realmente ".


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