Hydraulisk spräckning, även känd som "fracking, "förlitar sig på vatten, sand och andra kemikalier för att bana väg för ingenjörer att ta bort olja eller gas från skiffer – porösa stenar under marken.

Ingenjörer vet vad de pumpar ner i marken, men de har inte förstått varför de har hittat vissa mycket farliga föreningar i flowback - blandningen av vatten, salt och andra kemikalier som rinner tillbaka till ytan efter att ha pumpats genom skiffern.

Nu, forskning från Kimberly Parkers labb, biträdande professor vid institutionen för energi, Environmental &Chemical Engineering vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis, visar att underjordisk närvaro av halogenradikaler är en nyckel till bildningen av dessa halogenerade organiska föreningar, som är farliga för människors hälsa och skadliga för miljön.

Forskningen publicerades 15 januari, 2021, i journalen Miljövetenskap och teknik .

"Under en lång tid, vi visste inte riktigt var de kom ifrån, " sade Parker. "Vi visste att de inte lades ner i systemet med avsikt. Det verkade tydligt att de genererades under marken."

Förutom att veta var de kom ifrån, forskare hade en ganska god anledning att misstänka att halogenradikaler - molekyler med en oparad elektron - drev genereringen av dessa föreningar.

De oparade radikalelektronerna gör dem extremt reaktiva med andra kemikalier, inklusive organiska föreningar.

Moshan Chen, en Ph.D. student i Parkers labb, tacklade detta problem eftersom han misstänkte att fracking var en bördig grund för bildandet av halogenradikaler.

En anledning till att han misstänkte att halogenradikaler spelade en roll, han sa, hade att göra med "brytaren" — en tillsats som minskar viskositeten hos frackningsvätskan så att den lättare rinner tillbaka när skiffern har brutits. Den innehåller persulfat som, under extrema förhållanden med fracking, kan skapa sulfatradikaler.

Chen visste också att frackingvätskor har höga koncentrationer av halogenider, inklusive klorid och bromid. Faktiskt, halogenider i frackingvätskor förekommer i mycket högre koncentrationer än de är i andra bräckta vatten, såsom havsvatten.

Chen misstänkte att halogenid- och sulfatradikalerna reagerade och bildade halogenradikaler. Tidigare forskning om havsvatten och andra saltlösningar har visat att halogenerade radikaler kan interagera med organiska föreningar för att producera halogenerade organiska föreningar.

Det verkade, sedan, att alla förutsättningar för bildningen av dessa giftiga föreningar fanns i sprickningsprocessen. Chen övervägde en del tidigare forskning om ämnet, utarbetade sedan ett experiment och begav sig till labbet.

Med hjälp av experiment i bänkskala, han kunde skapa halogenerade organiska föreningar som de som finns i flowback. Men för att vara säker på att interaktionen mellan halogenradikaler och organiska föreningar verkligen var nödvändig för att bilda de halogenerade organiska föreningarna, han använde en "radikal släckare, "en kemikalie som hindrar radikalen från att reagera med föreningar.

Igen och igen, experimentet visade att om radikalen inte kunde interagera med den organiska föreningen, det skulle inte finnas några halogenerade organiska föreningar.

Parkers labb arbetar redan med nästa pusselbit – en som borde informera vad, om någon, åtgärder är värda att vidta för att minska skapandet av dessa farliga föreningar.

Chen tittar för närvarande på den naturliga bildningen av dessa halogenerade organiska föreningar. "Om det visar sig att mycket av deras produktion sker naturligt, och det finns inget vi kan göra åt det, det kanske inte är en bra idé" att ändra spräckningsprocedurer för en liten retur.

"Men om denna väg är den dominerande, " Parker sa, "att ändra kemikalierna som används i fracking kan vara värt att överväga."