Methoden om de waterzuivering te verbeteren of betere batterijen te bouwen, zijn problemen waar wetenschappers al decennia mee te maken hebben. De vorderingen zijn naar voren geschoven, maar de stijgende vraag verplaatst de eindstreep steeds verder weg.

Tegelijkertijd, de chemische reacties die deze verbeteringen mogelijk maken, vinden plaats op schalen die onzichtbaar zijn voor het blote oog (de atomaire schaal) waar vloeistoffen en vaste oppervlakken elkaar ontmoeten, het werk nog moeilijker maken.

Weten hoe deze chemische interacties plaatsvinden op het grensvlak vast-vloeistof is van cruciaal belang bij problemen die van groot belang zijn voor het Department of Energy (DOE), met name als het gaat om milieu- en waterkwaliteitskwesties die kunnen worden beïnvloed door grootschalige energieproductieactiviteiten.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe techniek die is ontwikkeld door een team, waaronder prof. Neil Sturchio van de Universiteit van Delaware en collega's van het Argonne National Laboratory en de Universiteit van Illinois in Chicago, heeft realtime-waarnemingen opgeleverd die de chemische reacties documenteren die plaatsvinden tussen vloeistoffen en vaste stoffen.

De techniek levert gegevens die kunnen worden gebruikt om voorspellingen te verbeteren van hoe voedingsstoffen en verontreinigingen zich in natuurlijke systemen zullen verplaatsen of om de effectiviteit te meten van waterzuiveringsmethoden waarbij ionenuitwisseling cruciaal is voor zuivering.

Het kan wetenschappers ook helpen om beperkende factoren voor supercondensatoren te achterhalen - robuuste apparaten voor energieopslag die vaak worden gebruikt in plaats van gewone batterijen om consumentenelektronica van stroom te voorzien, hybride voertuigen, zelfs op grote industriële schaal.

Energie-uitwisseling in chemische reacties

Sturchio, een geochemicus, heeft 25 jaar lang mineraal/water-interacties bestudeerd met financiering van DOE. Hij en zijn medewerkers hebben onlangs een nieuwe manier gedemonstreerd om de microscopische structuur en processen te bestuderen die plaatsvinden waar mineralen en water elkaar ontmoeten, met behulp van röntgenstralen om de reacties op gang te brengen terwijl ze beelden vastleggen van hun effecten op het mineraaloppervlak.

Nu met behulp van een methode genaamd Resonant Anomalous X-Ray Reflectivity (RAXR), de onderzoekers kunnen nog een stap verder gaan en de identiteit van het onderzochte element onderscheiden.

"Met onze eerdere methoden, we konden het elektronendichtheidsprofiel op atomaire schaal van het grensvlakgebied zien - een nanometer dikke zone inclusief het mineraaloppervlak en de aangrenzende oplossing - maar konden de atomaire lagen niet uniek identificeren, " zei Sturchio, professor en voorzitter van de afdeling Geologische Wetenschappen in UD's College of Earth, Oceaan, en Milieu.

De techniek vereist een kristal van hoge kwaliteit, dus selecteerden de onderzoekers mica, een mineraal dat qua structuur vergelijkbaar is met de overvloedige kleimineralen in de bodem en dat een atomair vlak kristal produceert dat nuttig is bij laboratoriumonderzoek naar grensvlakeigenschappen.

De onderzoekers weerkaatsten een intense röntgenstraal van een micamonster in afwisselend contact met twee verschillende zoutoplossingen die rubidium en natriumchloride bevatten. Door de hoek van de bundel te veranderen, wetenschappers waren in staat om het grensvlakprofiel op atomaire schaal te scannen. Door de energie van de bundel onder een vaste hoek te veranderen, ze konden de verdeling van rubidium-ionen in het grensvlakgebied isoleren.

"In dit geval, we kunnen afstemmen en specifiek vragen waar is de rubidium? Hoe zit het vast aan het mica-kristal en hoe komt het vrij in de oplossing?" zei hij.

Volgens Sturchio, de meeste chemische reacties in grondwater en in de atmosfeer, evenals tijdens industriële processen, waaronder waterzuivering en sommige vormen van energieopslag, gebeuren op oppervlakken zoals elektroden of deeltjes. Als er een chemische reactie plaatsvindt, ionen worden afgetrapt of aangetrokken en energie wordt uitgewisseld. Kwantitatief begrijpen hoe de ionen op deze schaal worden uitgewisseld, kan worden gebruikt om chemische processen te ontwerpen om de waterzuivering te verbeteren of om te begrijpen hoe verontreinigingen in bodem en grondwater worden getransporteerd.

In dit project, de onderzoekers wilden zien wat er nodig was om de rubidium te krijgen, een alkalimetaal, los te maken van het mica-oppervlak zodra het was bevestigd. Ze bereikten dit door de oplossing die over het mica-kristal stroomt snel te veranderen van rubidiumchloride in een meer geconcentreerd natriumchloride, vervolgens de reactie getimed om te bepalen hoe lang het duurde voordat de rubidium-ionen vrijkwamen (desorberen) uit het mica en voordat de natriumchloride-ionen hun plaats innamen (adsorberen).

Over het algemeen, adsorptiereacties vinden plaats in milliseconden, maar hier duurde het 25 seconden voordat het rubidium van het oppervlak vrijkwam (desorptie) en de natriumionen hun plaats innamen (adsorptie).

Hoe dichter het rubidium bij het mineraal/water grensvlak was, hoe vaster de positie werd (vanwege elektrostatische energie - het soort dat ervoor zorgt dat een ballon aan een muur blijft kleven nadat je hem tegen een trui hebt gewreven) en hoe meer energie er nodig was om hem van het mica los te wrikken. Omgekeerd, hoe meer watermoleculen tussen het kristaloppervlak en het rubidium-ion, hoe meer bewegingsruimte de rubidium had in zijn positie en hoe minder energie het kostte om los te komen. De experimenten hielpen bij het kwantificeren van de minieme hoeveelheden energie die werden overgedragen tijdens de uitwisseling van alkali-ionen op dit grensvlak, en de betrokkenheid van watermoleculen bij het reactiemechanisme.

De reactie was langzamer dan de onderzoekers hadden verwacht, en hoewel verdere studie vereist is, ze zijn het erover eens dat de resultaten bewijs leveren voor het begrijpen van de tijdschema's die nodig zijn om gewenste reacties te laten plaatsvinden.

Daarentegen, toen de oplossingen werden teruggeschakeld, het rubidium adsorbeerde veel sneller op het mica-oppervlak dan het desorbeerde, door de aangehechte watermoleculen af ​​te werpen, wat aantoont dat hydratatie belangrijk is voor de reactie.

"Om een ​​industrieel proces te ontwerpen, moet je precies weten wat er aan de oppervlakte gebeurt, ' zei Sturchio. 'Voor zover we weten, dit is de eerste keer dat iemand zulke gedetailleerde informatie heeft gedocumenteerd over hoe deze ionenuitwisselingsreacties plaatsvinden op een mineraal oppervlak in contact met water, en in dit geval we hebben goed bewijs voor hoe lang het daadwerkelijk duurt."