Als water diep onder de grond stroomt, het lost vaak anorganische stoffen op uit minerale afzettingen in de aardkorst. In veel regio's, deze afzettingen bevatten arseen, een natuurlijk voorkomend element dat kleurloos is, smaak- en geurloos. Hoewel zijn aanwezigheid nauwelijks merkbaar is, langdurige blootstelling aan met arseen verontreinigd water kan leiden tot gangreen, ziekten en vele soorten kanker, resulterend in een groot inkomensverlies voor miljoenen mensen en zelfs de dood.

Omdat veel regio's niet over de middelen en infrastructuur beschikken om hun water met conventionele middelen te behandelen, ze hebben geen andere keuze dan zichzelf aan deze risico's bloot te blijven stellen. De crisis van wijdverbreide arseenbesmetting, vooral op het platteland van Zuid-Azië, is beschreven als de grootste massale vergiftiging in de menselijke geschiedenis.

"Van nature voorkomend arseen in grondwater komt eigenlijk vaker voor dan je zou denken, " zegt Case van Genuchten, een onderzoeker bij de afdeling Geochemie van de Geologische Dienst van Denemarken en Groenland. "Veel regio's hebben gecentraliseerde waterbehandeling, waardoor het vrij eenvoudig te verwijderen is. Maar in regio's die geen leidingwatervoorziening hebben en afhankelijk zijn van grondwaterbronnen, je moet wat harder nadenken over hoe je duurzame waterbehandelingsoplossingen implementeert."

Geïnspireerd door natuurlijke processen in de bodem die verontreinigingen binden en uitfilteren, van Genuchten gebruikt ijzeroxiden zoals roest, die overvloedig aanwezig zijn in de bodem, om arseen uit het grondwater te filteren. Hij leidt experimenten bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, dat goedkope methoden onderzoekt voor de behandeling van grondwater met slechts kleine hoeveelheden elektriciteit en staal of ijzer. Het meest recente artikel van het team, waarin de arseenverwijderende prestaties van verschillende vormen van roest worden vergeleken, is gepubliceerd in Wateronderzoek .

De kleuren van roest

Roest ontstaat wanneer ijzer reageert met zuurstof en vocht. Deze reactie zorgt ervoor dat de ijzeratomen elektronen verliezen, het verhogen van de oxidatietoestand van het materiaal. Verschillende oxidatietoestanden produceren verschillende kleuren, of vormen, van roest. Elke vorm heeft unieke eigenschappen en reageert anders met arseen.

Het team gebruikt röntgenstralen van SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) om beter te begrijpen hoe arseen zich bindt aan verschillende roestdeeltjes, een interactie die wordt gebruikt om arseen te verwijderen in daadwerkelijke zuiveringsprocessen in een waterzuiveringsinstallatie in een school in een landelijk dorp in West-Bengalen, Indië.

"Wat we doen is stukken ijzer nemen, die gemakkelijk te vinden zijn, en plaats ze in opgepompt grondwater in een tank die is aangesloten op een voeding, zoals een auto-accu, zegt van Genuchten. "De stroom van de batterij tast het ijzer aan en veroorzaakt roest. Arseen bindt zich aan het oppervlak van deze roestdeeltjes, die vervolgens door de zwaartekracht kan worden uitgefilterd, of mogelijk, met behulp van magneten. Elke vorm van roest, van zwart naar rood naar groen, heeft een andere atomaire rangschikking. Door de manier waarop we stroom op het water toepassen te veranderen, we kunnen de atomaire structuur en reactiviteit van de roest controleren om ons systeem te optimaliseren."

Naald in een hooiberg

De onderzoekers ontdekten dat magnetiet, een vorm van zwarte roest die voorkomt in veel verschillende soorten gesteenten, is het meest efficiënt voor dit proces, werkt goed, zelfs bij lage concentraties.

Bij SSRL, het team gebruikt röntgenstralen om de structuur van magnetietdeeltjes te bepalen en hoe arseen chemische bindingen aangaat met het mineraal. Door röntgenstralen te laten schijnen op roestmonsters gebonden met arseen, de onderzoekers kunnen elektronen uit de binnenste schillen van de arseenatomen slaan, waardoor het mogelijk is om arseenatomen te detecteren, zelfs in sporenhoeveelheden die zo moeilijk te vinden zijn als een speld in een hooiberg. Deze op synchrotron gebaseerde techniek, röntgenabsorptiespectroscopie genoemd, gebruikt röntgenstralen met nauwkeurig gecontroleerde energieën om informatie te verkrijgen over hoe het arseen zich aan het ijzer bindt en is een van de weinige methoden die zulke gedetailleerde informatie kan produceren over het gedrag van sporen van giftige metalen.

Door deze experimenten, de onderzoekers ontdekten dat magnetiet een unieke structuur heeft in vergelijking met andere vormen van roest, waardoor het sterkere bindingen met de verontreiniging kan vormen.

"De vorm en grootte van het arseenmolecuul bleek als een puzzelstukje in de structuur van magnetiet te passen, " zegt van Genuchten. "Dit leidt tot de opname van arseen in het magnetietdeeltje in plaats van eenvoudigweg te binden aan het minerale oppervlak."

Real-world impact

Door dit onderzoek, van Genuchten hoopt manieren te vinden om roestdeeltjes sneller te produceren en beter te controleren hoe ze reageren met arseen, zodat het waterbehandelingssysteem kan worden geoptimaliseerd tot het op grote schaal kan worden geïmplementeerd. Hij zegt te genieten van hoe het project hem in staat stelt om het fundamentele onderzoek vooruit te helpen, zelfs als het wordt aangedreven door duidelijke toepassingen en dringende behoeften.

"Ik begon onderzoek te doen naar waterbehandeling omdat ik een positieve impact op de wereld wilde hebben, " zegt hij. "Soms raak ik gefrustreerd als de waterbehandelingsonderdelen van mijn onderzoek niet verlopen zoals gepland, maar dan helpt het om te bedenken dat ik ook onderzoek doe vanuit een fundamenteel perspectief. De kennis die ik verkrijg over interacties tussen mineralen en verontreinigingen is ook belangrijk om te begrijpen hoe verontreinigingen zich in het milieu gedragen, bijvoorbeeld hoe giftige metalen door grondwater bewegen en vast komen te zitten in bodem en sediment."

Ondanks de uitdagingen, hij voegt eraan toe dat het altijd belangrijk is om in het oog te houden welke toepassingen dit werk in de echte wereld zal hebben.

"Ik was erbij op de eerste dag dat er water werd uitgedeeld aan de kinderen op de school in India, "zegt hij. "De kinderen hebben allemaal kaartjes met elektronische chips die ze tegen een paneeltje bij een distributiekiosk zetten, die er vervolgens een liter gefilterd water uit pompt. Het was zo de moeite waard om de opwinding op hun gezichten te zien toen ze het water naar buiten zagen komen."