Onderzoekers van Sandia National Laboratories hebben het mechanisme ontdekt om ijzer in kleimineraalstructuren "aan te zetten", wat leidt tot het begrip hoe ijzer reactief kan worden gemaakt onder zuurstofvrije omstandigheden.

Dit onderzoek zal wetenschappers helpen begrijpen en voorspellen hoe verontreinigingen, zoals arseen, selenium en chroom, door de omgeving bewegen en waterlopen binnendringen. Deze chemische principes kunnen worden toegepast om natuurlijke bodembarrières te ontwikkelen om deze verontreinigingen uit water te verwijderen en reactieve membranen te maken, die verontreinigingen kunnen transformeren tijdens het waterfiltratieproces.

Het werk staat op de omslag van een recent nummer van Milieukunde:Nano in een krant getiteld, "'Ijzer inschakelen' in kleimineralen, " door Sandia-onderzoekers Anastasia Ilgen, Kevin Leung en Rachel Washington en Ravi Kukkadapu van Pacific Northwest National Laboratory. Het werk werd gefinancierd door het Basic Energy Sciences-programma van het Department of Energy.

IJzerreacties begrijpen

"In de geowetenschappen, we erkennen al tientallen jaren dat het begrijpen van hoe ijzer reageert van cruciaal belang is om te begrijpen hoe verontreinigingen zich verplaatsen en transformeren in het milieu, ', aldus hoofdauteur Ilgen.

IJzer is een belangrijk bestanddeel van de aardkorst en het vierde meest voorkomende element. IJzerbevattende mineralen vormen een groot deel van de bodem en sedimentair gesteente. Adsorptie en chemische transformaties op ijzerhoudende minerale oppervlakken bepalen het lot en het transport van chemicaliën in het milieu. adsorptie, dat is de aanhechting van verontreinigingen op minerale oppervlakken, en chemische reacties op deze minerale oppervlakken bepalen hoe deze chemicaliën door de omgeving bewegen.

Ilgen legt uit dat ijzer in de bodem in twee oxidatietoestanden kan voorkomen:gereduceerd en geoxideerd. Dit is belangrijk, omdat ijzer voortdurend wisselt tussen deze vormen als reactie op kleine veranderingen in de bodemgesteldheid.

"Kleimineralen komen buitengewoon veel voor in de bodem en bevatten vaak ijzer in hun structuren, ' zei ze. 'De oppervlakken van kleimineralen, die alleen geoxideerd ijzer bevatten, zijn niet reactief. Ze adsorberen arseen, maar transformeer het niet chemisch. Echter, deze zelfde oppervlakken worden reactief zodra een kleine hoeveelheid gereduceerd ijzer in de structuur van het kleimineraal wordt geïntroduceerd."

Tot nu, het was niet bekend hoe en waarom kleimineralen met sporen van gereduceerd ijzer reageren als er geen zuurstof aanwezig is.

"We hebben het mechanisme ontdekt waarmee geoxideerd ijzer in minerale kleistructuren reageert onder zuurstofvrije omstandigheden, en waarom sporen van gereduceerd ijzer nodig zijn om de reacties te laten plaatsvinden, ' zei Ilgen.

Team voert werkzaamheden uit met behulp van verschillende tools, methoden

Met behulp van experimentele tools, het team lokaliseerde de exacte chemische locaties in kleimineralen die reageerden met arseen. Het team toonde aan dat ijzeratomen aan de randen van kleimineralen reactief waren, en om de reacties te laten plaatsvinden, moeten deze plaatsen zowel gereduceerd als geoxideerd ijzer bevatten.

Het team gebruikte computationele methoden om de energie te berekenen die nodig is voor het oxideren van arseen, die wordt geadsorbeerd op een plaats die uitsluitend geoxideerd ijzer bevat versus een plaats met zowel geoxideerd als gereduceerd ijzer. Uit deze berekeningen bleek dat het thermodynamisch toevoegen van één gereduceerd ijzer naast een geoxideerd ijzer de oxidatie van arseen niet gunstiger maakt.

Vervolgens, de vraag wordt waarom zijn de sites reactief in de omgeving? Met behulp van spectroscopische analyse, het team toonde aan dat voor een verontreiniging, zoals arseen, oxideren op het oppervlak van een kleimineraal, het moet watermoleculen van het oppervlak van dat kleimineraal verdringen. Het losmaken van een watermolecuul is een noodzakelijke chemische stap voor het hechten van arseen, om het op het kleimineraaloppervlak te kunnen oxideren.

Berekeningen tonen aan dat het verwijderen van water van een locatie met zowel gereduceerd als geoxideerd ijzer minder energie verbruikt in vergelijking met een locatie die alleen geoxideerd ijzer bevat. Omdat het minder energie verbruikt, het is gemakkelijker om eerst arseen te hechten en vervolgens te oxideren op dit type chemische plaats op het kleimineraaloppervlak en daarom vindt de reactie plaats.

Het begrijpen van dit mechanisme helpt het lot en het transport van redox-gevoelige voedingsstoffen en verontreinigingen in het milieu te verklaren, en waarom sommige van deze in geoxideerde vormen blijven bestaan, zelfs in afwezigheid van opgeloste zuurstof.

Voortzetting van onderzoek naar ijzer in verschillende natuurlijke mineralen

Ilgen zei dat het team zal doorgaan met het onderzoeken van de chemische mechanismen die de reactiviteit van ijzer in verschillende natuurlijke mineralen regelen en zal de voorwaarden onderzoeken die nodig zijn om ijzer reactief te laten zijn in bodems en sedimentair gesteente.

Het team zal deze kennis gebruiken om het lot in het milieu en het transport van verontreinigingen en voedingsstoffen beter te begrijpen, en mogelijk reactieve barrières te ontwerpen om te voorkomen dat verontreinigingen in waterwegen terechtkomen.