Crédito:Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC
Cuando el agua fluye profundamente bajo tierra, a menudo disuelve sustancias inorgánicas de depósitos minerales en la corteza terrestre. En muchas regiones, estos depósitos contienen arsénico, un elemento natural que es incoloro, insípido e inodoro. Aunque su presencia apenas se nota, La exposición prolongada al agua contaminada con arsénico puede provocar gangrena. enfermedad y muchos tipos de cáncer, resultando en una gran pérdida de ingresos para millones de personas e incluso la muerte.
Debido a que muchas regiones carecen de los recursos y la infraestructura para tratar su agua por medios convencionales, no tienen más remedio que seguir exponiéndose a estos riesgos. La crisis de la contaminación generalizada por arsénico, particularmente en las zonas rurales de Asia meridional, ha sido descrito como el mayor envenenamiento masivo en la historia de la humanidad.
"El arsénico que se encuentra de forma natural en el agua subterránea es en realidad más común de lo que imagina, "dice Case van Genuchten, investigador del Departamento de Geoquímica del Servicio Geológico de Dinamarca y Groenlandia. "Muchas regiones han centralizado el tratamiento del agua, lo que hace que sea bastante fácil de eliminar. Pero en las regiones que no tienen un suministro de agua entubado y dependen de pozos de agua subterránea, hay que pensar un poco más sobre cómo implementar soluciones de tratamiento de agua sostenibles ".
Inspirado en los procesos naturales en el suelo que unen los contaminantes y los filtran, van Genuchten ha estado utilizando óxidos de hierro como óxido, que abundan en el suelo, para filtrar el arsénico del agua subterránea. Dirige experimentos en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía que investigan métodos de bajo costo para tratar el agua subterránea utilizando solo pequeñas cantidades de electricidad y acero o hierro. El artículo más reciente del equipo, que compara el rendimiento de eliminación de arsénico de diferentes formas de óxido se ha publicado en Investigación del agua .
Los colores del óxido
El óxido se forma cuando el hierro reacciona con el oxígeno y la humedad. Esta reacción hace que los átomos de hierro pierdan electrones, aumentando el estado de oxidación del material. Los diferentes estados de oxidación producen diferentes colores, o formas, de óxido. Cada forma tiene propiedades únicas y reacciona de manera diferente con el arsénico.
Case van Genuchten del Servicio Geológico de Dinamarca y Groenlandia trabaja en la cabina de rayos X durante un experimento en la línea de haz 4-1 de SSRL, donde se realizaron la mayoría de las mediciones de arsénico en el proyecto. Crédito:Dawn Harmer / SLAC National Accelerator Laboratory
El equipo utiliza rayos X de la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC para comprender mejor cómo se une el arsénico a diferentes partículas de óxido. una interacción que se está utilizando para eliminar el arsénico en los procesos de purificación reales en una planta de tratamiento de agua ubicada en una escuela en un pueblo rural de Bengala Occidental, India.
"Lo que hacemos es coger pedazos de hierro, que son fáciles de encontrar, e insértelos en el agua subterránea bombeada en un tanque conectado a una fuente de alimentación, como la batería de un coche, ", dice van Genuchten." La corriente de la batería corroe el hierro y produce óxido. El arsénico se une a la superficie de estas partículas de óxido, que luego se puede filtrar por gravedad, o potencialmente, utilizando imanes. Todo tipo de óxido de negro a rojo a verde, tiene una disposición atómica diferente. Al cambiar la forma en que aplicamos la corriente al agua, podemos controlar la estructura atómica y la reactividad del óxido para optimizar nuestro sistema ".
Aguja en un pajar
Los investigadores descubrieron que la magnetita, una forma de óxido negro que se encuentra en muchos tipos diferentes de rocas, es el más eficiente para este proceso, Funciona bien incluso a bajas concentraciones.
En SSRL, el equipo usa rayos X para determinar la estructura de las partículas de magnetita y cómo el arsénico forma enlaces químicos con el mineral. Al iluminar con rayos X muestras de óxido unidas con arsénico, los investigadores pueden eliminar electrones de las capas más internas de los átomos de arsénico, lo que permite detectar átomos de arsénico incluso en trazas que son tan difíciles de encontrar como una aguja en un pajar. Esta técnica basada en sincrotrón, llamada espectroscopia de absorción de rayos X, utiliza rayos X con energías finamente controladas para obtener información sobre cómo el arsénico se une al hierro y es uno de los únicos métodos capaces de producir información tan detallada sobre el comportamiento de trazas de metales tóxicos.
A través de estos experimentos, Los investigadores encontraron que la magnetita tiene una estructura única en comparación con otras formas de óxido que le permite formar enlaces más fuertes con el contaminante.
"Se descubrió que la forma y el tamaño de la molécula de arsénico encajaban como una pieza de rompecabezas en la estructura de la magnetita, ", dice van Genuchten. Esto conduce a la incorporación de arsénico en la partícula de magnetita en lugar de simplemente unirse a la superficie del mineral".
Un joven aldeano trae a casa una botella de 5 litros de agua tratada comprada en la planta electroquímica de la escuela. Los operadores de la planta local, que también vive en el pueblo, encontró que los costos de operación de la planta eran lo suficientemente bajos como para crear un mercado viable para vender el exceso de agua tratada a la aldea, además del agua provista para los escolares. Como resultado, la aldea ha comenzado a cambiar de comprar agua a los transportistas de agua locales a comprar agua de la planta. Crédito:Sebastien Krogh
Impacto en el mundo real
A través de esta investigación, van Genuchten espera encontrar formas de producir partículas de óxido más rápido y controlar mejor cómo reaccionan con el arsénico para que el sistema de tratamiento de agua pueda optimizarse hasta el punto en que pueda implementarse ampliamente. Dice que disfruta de cómo el proyecto le permite impulsar la investigación fundamental incluso cuando está impulsada por aplicaciones claras y necesidades urgentes.
"Comencé a investigar el tratamiento del agua porque quería tener un impacto positivo en el mundo, ", dice." A veces me siento frustrado cuando las partes de mi investigación sobre el tratamiento del agua no salen según lo planeado, pero luego ayuda recordar que también estoy investigando desde una perspectiva fundamental. El conocimiento que genero sobre las interacciones entre minerales y contaminantes también es importante para comprender cómo se comportan los contaminantes en el medio ambiente, por ejemplo, cómo los metales tóxicos se mueven a través del agua subterránea y quedan atrapados en el suelo y los sedimentos ".
A pesar de los desafíos, agrega que siempre es importante tener en cuenta las aplicaciones del mundo real que tendrá este trabajo.
"Estuve allí el primer día que se distribuyó agua a los niños de la escuela en India, ", dice." Todos los niños tienen tarjetas con chips electrónicos que colocan contra un pequeño panel en un quiosco de distribución, que luego bombea un litro de agua filtrada. Fue muy gratificante ver la emoción en sus rostros cuando vieron salir el agua ".
