تبدأ مشاكل رماد الفحم بشكل أصغر مما يعتقده أي شخص

على سبيل المثال، قامت شركة Duke Energy منذ فترة طويلة بتخزين شكل مسال من رماد الفحم في 36 بركة كبيرة عبر ولايتي كارولينا. تغير كل ذلك في عام 2014، عندما أدى التسرب في موقع نهر دان إلى إطلاق 27 مليون جالون من مياه بركة الرماد في البيئة المحلية. أثار الحادث مخاوف بشأن المخاطر المرتبطة بكميات ضئيلة من العناصر السامة مثل الزرنيخ والسيلينيوم في الرماد. ومع ذلك، لم يكن معروفًا سوى القليل عن كمية هذه المواد الخطرة الموجودة في مياه الرماد أو مدى سهولة تلويثها للبيئة المحيطة.

أدت المخاوف من الانسكابات والتسربات المستقبلية إلى موافقة شركة Duke Energy على دفع 1.1 مليار دولار لإيقاف معظم برك رماد الفحم لديها عن الخدمة خلال السنوات القادمة. وفي الوقت نفسه، يعمل الباحثون على طرق أفضل لاستخدام الرماد، مثل إعادة تدويره لاستعادة العناصر الأرضية النادرة القيمة أو دمجه في مواد البناء مثل الخرسانة. ولكن لوضع أي حل محتمل موضع التنفيذ، لا يزال يتعين على الباحثين معرفة مصادر رماد الفحم التي تشكل خطرًا خطيرًا بسبب تركيبها الكيميائي - وهو سؤال لا يزال العلماء يكافحون من أجل الإجابة عليه.

في ورقة جديدة نشرت في 6 يونيو في المجلة العلوم البيئية: نانو، اكتشف الباحثون في جامعة ديوك أن هذه الإجابات قد تظل بعيدة المنال لأنه لا أحد يفكر بشكل صغير بما فيه الكفاية. باستخدام واحد من أحدث مصادر ضوء السنكروترون وأكثرها تقدمًا في العالم - مصدر ضوء السنكروترون الوطني الثاني في مختبر بروكهافن الوطني - أظهر المؤلفون أنه، على الأقل بالنسبة للسيلينيوم والزرنيخ، فإن كمية العناصر السامة القادرة على الهروب من الفحم يعتمد الرماد إلى حد كبير على بنيتها النانوية.

وقالت هيلين هسو كيم، أستاذة الهندسة المدنية والبيئية في جامعة ديوك: 'تظهر هذه النتائج مدى تعقيد رماد الفحم كمادة'. 'على سبيل المثال، رأينا الزرنيخ والسيلينيوم إما ملتصقين بسطح جزيئات الحبوب الدقيقة أو مغلفين بداخلها، وهو ما يفسر سبب تسرب هذه العناصر من بعض مصادر رماد الفحم بسهولة أكبر من غيرها'.

من المعروف منذ زمن طويل أن العوامل الموجودة في البيئة المحيطة، مثل الرقم الهيدروجيني، تؤثر على مدى قدرة العناصر السامة على الانتقال من المصدر إلى البيئة المحيطة. في بحث سابق، أظهر هسو كيم أن كمية الأكسجين الموجودة في محيط السم يمكن أن تؤثر بشكل كبير على كيميائيته، وأن المصادر المختلفة لرماد الفحم تنتج مستويات مختلفة إلى حد كبير من المنتجات الثانوية.

ولكن مجرد وجود مصدر واحد لرماد الفحم يحتوي على نسبة عالية من الزرنيخ لا يعني بالضرورة أن كميات كبيرة من الزرنيخ سوف تتسرب منه. وبالمثل، تستجيب مصادر الرماد المختلفة بشكل مختلف لنفس الظروف البيئية. المشكلة معقدة، على أقل تقدير. ولاتباع نهج مختلف، قررت هسو كيم إلقاء نظرة فاحصة على المصدر نفسه.

وقال هسو كيم: 'يستخدم الباحثون في هذا المجال عادةً الفحص المجهري بالأشعة السينية بدقة تبلغ ميكرومترًا واحدًا أو اثنين، وهو نفس حجم جزيئات الرماد المتطاير نفسها تقريبًا'. 'إذا كان الجسيم الواحد عبارة عن بكسل واحد، فإنك لا ترى كيفية توزيع العناصر عبره.'

ولتقليص وحدات البكسل في هذه الصور إلى مقياس النانو، لجأت هسو كيم إلى كاثرين بيترز، أستاذة الهندسة المدنية والبيئية في جامعة برينستون، وزملائها للحصول على الوقت في مصدر ضوء السنكروترون الوطني II. وتنتج الآلة المستقبلية أشعة ضوئية أكثر سطوعًا بـ 10 مليارات مرة من الشمس لتكشف عن التركيب الكيميائي والذري للمواد باستخدام أشعة ضوئية تتراوح من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة السينية الصلبة.

وتمكنت قدرات بروكهافن من تزويد الباحثين بخريطة نانوية لكل جسيم مع توزيع العناصر في كل جسيم. كشفت الدقة المذهلة أن رماد الفحم عبارة عن مجموعة من الجزيئات من جميع الأنواع والأحجام.

على سبيل المثال، في إحدى العينات، رأى الباحثون جسيمات نانوية فردية من السيلينيوم مرتبطة بجزيئات أكبر من رماد الفحم، وهو شكل كيميائي من السيلينيوم ربما لا يكون قابلاً للذوبان بدرجة كبيرة في الماء. لكن معظم الرماد كان يحتوي على الزرنيخ والسيلينيوم إما محبوسين داخل الحبوب الفردية أو متصلين على السطح بروابط أيونية ضعيفة نسبيًا يمكن كسرها بسهولة.

وقال هسو كيم: 'كان الأمر كما لو أننا رأينا شيئًا مختلفًا في كل عينة نظرنا إليها'. 'إن المجموعة الواسعة من الاختلافات تسلط الضوء حقًا على السبب الذي يجعل السمة الرئيسية التي نهتم بها - وهي كمية هذه العناصر التي تتسرب من الرماد - تختلف كثيرًا بين العينات المختلفة.'

في حين لا يمكن لأحد أن يقول على وجه اليقين ما الذي يجعل رماد الفحم يطور تركيبته الفريدة، يعتقد هسو-كيم أنه من المحتمل أن يكون الأمر مرتبطًا في الغالب بكيفية تشكل الفحم في الأصل منذ ملايين السنين. ولكن قد يكون لها أيضًا علاقة بمحطات الطاقة التي تحرق الفحم. وتقوم بعض المصانع بحقن الكربون المنشط أو الجير في غاز المداخن، مما يؤدي إلى احتجاز انبعاثات الزئبق والكبريت، على التوالي. عند درجة حرارة 1000 درجة فهرنهايت، تكون السموم مثل الزرنيخ والسيلينيوم الموجودة في المداخن غازية، ولا يمكن السيطرة على الفيزياء التي تملي كيفية تبريد الجسيمات وإعادة تجميعها لتكوين الرماد.

ولكن بغض النظر عن الطريقة، يعرف الباحثون الآن أنه ينبغي عليهم إيلاء اهتمام أكبر للتفاصيل الدقيقة المغلفة في النتائج النهائية.

تم دعم هذا العمل من قبل وزارة الطاقة الأمريكية (DE-FE0031748) والمعهد الوطني لعلوم الصحة البيئية (5U2C-ES030851). استخدم هذا البحث موارد مرفق مستخدم العلوم التابعة لمكتب وزارة الطاقة الأمريكية في منشأة Stanford Synchrotron Radiation Lightsource التي يديرها مختبر SLAC الوطني للمسرع (DE-AC02-76SF0051) وفي خط شعاع الأشعة السينية الصلبة Nanoprobe (HXN) عند 3-ID من National منشأة Synchrotron Light Source II التي يديرها مختبر Brookhaven الوطني (DE-SC0012704).