När vattnet rinner djupt under jorden, det löser ofta oorganiska ämnen från mineralavlagringar i jordskorpan. I många regioner, dessa avlagringar innehåller arsenik, ett naturligt förekommande element som är färglöst, smaklös och luktfri. Även om dess närvaro knappt märks, långvarig exponering för arsenikförorenat vatten kan leda till kallbrand, sjukdom och många typer av cancer, vilket resulterar i stora inkomstbortfall för miljontals människor och till och med dödsfall.

Eftersom många regioner saknar resurser och infrastruktur för att behandla sitt vatten på konventionellt sätt, de har inget annat val än att fortsätta att utsätta sig för dessa risker. Krisen med utbredd arsenikkontamination, särskilt på landsbygden i Sydasien, har beskrivits som den största massförgiftningen i mänsklighetens historia.

"Naturligt förekommande arsenik i grundvatten är faktiskt vanligare än man kan tro, säger Case van Genuchten, en forskare vid Geokemiska Institutionen för Danmarks och Grönlands geologiska undersökning. "Många regioner har centraliserad vattenrening, vilket gör det ganska lätt att ta bort. Men i regioner som inte har vattenförsörjning i rör och som är beroende av grundvattenbrunnar, man måste tänka lite hårdare på hur man implementerar hållbara lösningar för vattenrening."

Inspirerad av naturliga processer i marken som binder föroreningar och filtrerar bort dem, van Genuchten har använt järnoxider som rost, som är rikliga i jorden, för att filtrera bort arsenik från grundvattnet. Han leder experiment vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory som undersöker billiga metoder för behandling av grundvatten med endast små mängder elektricitet och stål eller järn. Lagets senaste tidning, som jämför arsenikavlägsnande prestanda hos olika former av rost har publicerats i Vattenforskning .

Rostens färger

Rost bildas när järn reagerar med syre och fukt. Denna reaktion gör att järnatomerna förlorar elektroner, öka materialets oxidationstillstånd. Olika oxidationstillstånd ger olika färger, eller former, av rost. Varje form har unika egenskaper och reagerar olika med arsenik.

Teamet använder röntgenstrålar från SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) för att bättre förstå hur arsenik binder till olika rostpartiklar, en interaktion som används för att ta bort arsenik i faktiska reningsprocesser vid ett vattenreningsverk beläget i en skola i en landsbygdsby i Västbengalen, Indien.

"Vad vi gör är att ta järnbitar, som är lätta att hitta, och för in dem i pumpat grundvatten i en tank ansluten till en strömkälla, som ett bilbatteri, " säger van Genuchten. "Strömmen från batteriet korroderar järnet och producerar rost. Arsenik binder till ytan av dessa rostpartiklar, som sedan kan filtreras bort av gravitationen, eller potentiellt, med hjälp av magneter. Alla typer av rost, från svart till rött till grönt, har ett annat atomarrangemang. Genom att ändra sättet vi tillför ström till vattnet, vi kan kontrollera rostens atomära struktur och reaktivitet för att optimera vårt system."

Nål i en höstack

Forskarna upptäckte att magnetit, en form av svartrost som finns i många olika typer av stenar, är den mest effektiva för denna process, fungerar bra även vid låga koncentrationer.

På SSRL, teamet använder röntgenstrålar för att bestämma strukturen hos magnetitpartiklar och hur arsenik bildar kemiska bindningar med mineralet. Genom att lysa röntgen på prover av rost bunden med arsenik, forskarna kan slå ut elektroner ur arsenikatomernas innersta skal, vilket gör det möjligt att upptäcka arsenikatomer även i spårmängder som är lika svåra att hitta som en nål i en höstack. Denna synkrotronbaserade teknik, kallas röntgenabsorptionsspektroskopi, använder röntgenstrålar med finkontrollerade energier för att få information om hur arseniken binder till järnet och är en av de enda metoderna som kan producera så detaljerad information om beteendet hos spårgiftiga metaller.

Genom dessa experiment, forskarna fann att magnetit har en unik struktur jämfört med andra former av rost som gör att den kan bilda starkare bindningar med föroreningen.

"Arsenikmolekylens form och storlek visade sig passa som en pusselbit i strukturen av magnetit, ", säger van Genuchten. "Detta leder till inkorporering av arsenik i magnetitpartikeln snarare än att bara binda till mineralytan."

Verkliga effekter

Genom denna forskning, van Genuchten hoppas kunna hitta sätt att producera rostpartiklar snabbare och bättre kontrollera hur de reagerar med arsenik så att vattenbehandlingssystemet kan optimeras till den punkt där det kan implementeras i stor utsträckning. Han säger att han njuter av hur projektet gör det möjligt för honom att driva grundforskningen framåt även om den drivs av tydliga ansökningar och akuta behov.

"Jag började forska om vattenrening för att jag ville ha en positiv inverkan på världen, " säger han. "Ibland blir jag frustrerad när vattenreningsdelarna av min forskning inte går som planerat, men då hjälper det att komma ihåg att jag också forskar ur ett fundamentalt perspektiv. Den kunskap jag genererar om interaktioner mellan mineraler och föroreningar är också viktig för att förstå hur föroreningar beter sig i miljön - till exempel hur giftiga metaller rör sig genom grundvattnet och fångas i jordar och sediment."

Trots utmaningarna, han tillägger att det alltid är viktigt att ha koll på de verkliga tillämpningarna som detta arbete kommer att ha.

"Jag var där första dagen som vatten delades ut till barnen på skolan i Indien, " säger han. "Barnen har alla kort med elektroniska marker som de sätter mot en liten panel i en distributionskiosk, som sedan pumpar ut en liter filtrerat vatten. Det var så givande att se spänningen i deras ansikten när de såg vattnet komma ut."