Например, компания Duke Energy долгое время хранила сжиженную угольную золу в 36 больших прудах по всей Каролине. Все изменилось в 2014 году, когда в результате разлива на участке на реке Дэн в местную окружающую среду попало 27 миллионов галлонов воды из золошлакового пруда. Инцидент вызвал обеспокоенность по поводу опасностей, связанных даже с ничтожными количествами токсичных элементов, таких как мышьяк и селен, содержащихся в золе. Однако мало что было известно о том, сколько именно этих опасных веществ присутствовало в зольной воде и насколько легко они могли загрязнить окружающую среду.

Опасения по поводу будущих разливов и просачивания заставили Duke Energy согласиться заплатить 1,1 миллиарда долларов за вывод из эксплуатации большинства своих золоотвалов в ближайшие годы. Тем временем исследователи работают над более эффективными способами использования золы, такими как ее переработка для извлечения ценных редкоземельных элементов или включение в строительные материалы, такие как бетон. Но чтобы претворить любое потенциальное решение в жизнь, исследователи все еще должны знать, какие источники угольной золы представляют опасность из-за ее химического состава - вопрос, на который ученые все еще пытаются ответить.

В новой статье, опубликованной 6 июня в журнале Наука об окружающей среде: Нано, исследователи из Университета Дьюка обнаружили, что эти ответы могут оставаться неуловимыми, потому что никто не мыслит достаточно мелко. Используя один из новейших, наиболее совершенных синхротронных источников света в мире - National Synchrotron Light Source II в Брукхейвенской национальной лаборатории, авторы показывают, что, по крайней мере, для селена и мышьяка количество токсичных элементов, способных выделяться из угольной золы, в значительной степени зависит от их наноразмерных структур.

"Эти результаты показывают, насколько сложным материалом является угольная зола", - сказала Хелен Су-Ким, профессор гражданского строительства и охраны окружающей среды Университета Дьюка. "Например, мы видели, что мышьяк и селен либо прикреплены к поверхности мелкозернистых частиц, либо заключены в них, что объясняет, почему эти элементы вымываются из некоторых источников угольной золы легче, чем из других".

Давно известно, что факторы окружающей среды, такие как рН, влияют на то, насколько хорошо токсичные элементы могут перемещаться из источника в окружающую среду. В предыдущем исследовании Хсу-Ким показал, что количество кислорода в окружающей токсин среде может сильно влиять на его химический состав и что различные источники угольной золы производят совершенно разное количество побочных продуктов.

Но только потому, что в одном из источников угольной золы высокое содержание мышьяка, не обязательно означает, что из нее будет выщелачиваться большое количество мышьяка. Аналогичным образом, различные источники золы по-разному реагируют на одни и те же условия окружающей среды. Проблема, мягко говоря, сложная. Чтобы применить другой подход, Хсу-Ким решил еще внимательнее присмотреться к самому источнику.

"Исследователи в этой области обычно используют рентгеновскую микроскопию с разрешением один или два микрометра, что примерно соответствует размеру самих частиц летучей золы", - сказал Хсу-Ким. "Таким образом, если одна частица представляет собой один пиксель, вы не видите, как элементы распределены по ней".

Чтобы уменьшить пиксели этих снимков до наноразмеров, Хсу-Ким обратилась к Кэтрин Питерс, профессору гражданской инженерии и охраны окружающей среды Принстонского университета, и ее коллегам с просьбой выделить время на национальный синхротронный источник света II. Футуристическая машина создает световые лучи в 10 миллиардов раз ярче солнца, чтобы выявить химическую и атомную структуру материалов, используя световые лучи в диапазоне от инфракрасных до жестких рентгеновских лучей.

Возможности Брукхейвена позволили предоставить исследователям наноразмерную карту каждой частицы вместе с распределением элементов в каждой частице. Невероятное разрешение показало, что угольная зола представляет собой совокупность частиц всех видов и размеров.

Например, в одном образце исследователи увидели отдельные наночастицы селена, которые были прикреплены к более крупным частицам угольной золы, которая является химической формой селена и, вероятно, не очень хорошо растворима в воде. Но большая часть золы содержала мышьяк и селен, либо запертые внутри отдельных зерен, либо прикрепленные к поверхности относительно слабыми ионными связями, которые легко разрушаются.

"Это было почти так, как будто мы видели что-то новое в каждом образце, на который смотрели", - сказал Су-Ким. "Широкий спектр различий действительно подчеркивает, почему основная характеристика, которая нас волнует - сколько этих элементов вымывается из золы - так сильно различается между разными образцами".

Хотя никто не может с уверенностью сказать, что заставляет угольную золу приобретать свой уникальный состав, Су-Ким предполагает, что это, вероятно, в основном связано с тем, как первоначально образовался уголь миллионы лет назад. Но это также может быть как-то связано с электростанциями, которые сжигают уголь. Некоторые заводы вводят активированный уголь или известь в дымовые газы, которые улавливают выбросы ртути и серы соответственно. При температуре 1000 градусов по Фаренгейту токсины, такие как мышьяк и селен, в дымоходе становятся газообразными, и физика, которая диктует, как частицы будут охлаждаться и рекомбинировать с образованием золы, неконтролируема.

Но независимо от того, каким образом, исследователи теперь знают, что им следует уделять более пристальное внимание мелким деталям, заключенным в конечных результатах.

Эта работа была поддержана Министерством энергетики США (DE-FE0031748) и Национальным институтом наук о здоровье окружающей среды (5U2C-ES030851). В этом исследовании использовались ресурсы пользовательского центра Управления по науке Министерства энергетики США в Стэнфордском центре источников синхротронного излучения, управляемом Национальной ускорительной лабораторией SLAC (DE-AC02-76SF0051), и на линии луча жесткого рентгеновского нанозонда (HXN) в 3-ID Национального центра источников синхротронного света II, управляемого Брукхейвенской национальной лабораторией (DE-SC0012704).