Sandia National Laboratories forskare har upptäckt mekanismen för att "slå på" järn som finns i lermineralstrukturer, vilket leder till förståelse för hur man gör järn reaktivt under syrefria förhållanden.

Denna forskning kommer att hjälpa forskare att förstå och förutsäga hur föroreningar, såsom arsenik, selen och krom, flytta genom miljön och gå in i vattenvägar. Dessa kemiska principer kan tillämpas för att utveckla naturliga markhinder för att ta bort dessa föroreningar från vatten och göra reaktiva membran, som kan transformera föroreningar under vattenfiltreringsprocessen.

Verket finns på omslaget till ett nyligen utgåva av Miljövetenskap:Nano i ett papper med titeln, "'Slå på' järn i lermineraler, "av Sandia -forskarna Anastasia Ilgen, Kevin Leung och Rachel Washington och Ravi Kukkadapu från Pacific Northwest National Laboratory. Arbetet finansierades av Department of Energy's Basic Energy Sciences -program.

Förstå järnreaktioner

"Inom geovetenskap, vi insåg i decennier att förstå hur järn reagerar är avgörande för att förstå hur föroreningar rör sig och förändras i miljön, "sa huvudförfattaren Ilgen.

Järn är en nyckelkomponent i jordskorpan och det fjärde vanligaste elementet. Järnhaltiga mineraler utgör en stor del av jordar och sedimentära stenar. Adsorption och kemiska transformationer på järnhaltiga mineralytor definierar öde och transport av kemikalier i miljön. Adsorption, som fäster föroreningar på mineralytor, och kemiska reaktioner på dessa mineralytor styr hur dessa kemikalier rör sig genom miljön.

Ilgen förklarar att järn i jord kan existera i två oxidationstillstånd:reducerat och oxiderat. Det här är viktigt, eftersom järn ständigt kretsar mellan dessa former som svar på små förändringar i markförhållandena.

"Lermineraler är extremt vanliga i jordar och de innehåller ofta järn i sina strukturer, "sa hon." Ytorna av lermineraler, som endast innehåller oxiderat järn, är inte reaktiva. De adsorberar arsenik, men förvandla det inte kemiskt. Dock, samma ytor blir reaktiva så snart en mindre mängd reducerat järn införs i lermineralets struktur. "

Tills nu, det var okänt hur och varför lermineraler med spårmängder reducerat järn reagerar när det inte finns syre.

"Vi har upptäckt mekanismen genom vilken oxiderat järn i lermineralstrukturer reagerar under syrefria förhållanden, och varför spårmängder reducerat järn är nödvändiga för att reaktionerna ska äga rum, Sa Ilgen.

Teamet utför arbete med olika verktyg, metoder

Med hjälp av experimentella verktyg, laget identifierade de exakta kemiska platserna i lermineraler som reagerade med arsenik. Teamet visade att järnatomer som ligger vid kanterna av lermineraler var reaktiva, och för att reaktionerna ska äga rum måste dessa platser innehålla både reducerat och oxiderat järn.

Teamet använde beräkningsmetoder för att beräkna energin som krävs för att oxidera arsenik, som adsorberas på en plats som uteslutande innehåller oxiderat järn kontra en plats med både oxiderat och reducerat järn. Dessa beräkningar visade att termodynamiskt tillsats av ett reducerat järn bredvid ett oxiderat järn inte gör oxidationen av arsenik mer gynnsam.

Sedan, frågan blir varför är webbplatserna reaktiva i miljön? Med hjälp av spektroskopisk analys, laget visade att för en förorening, såsom arsenik, att oxidera på ytan av ett lermineral, den måste förtränga vattenmolekyler från det lermineralets yta. Att lossa en vattenmolekyl är ett nödvändigt kemiskt steg för att fästa arsenik, för att kunna oxidera det på lermineralytan.

Beräkningar visar att avlägsnande av vatten från en plats med både reducerat och oxiderat järn använder mindre energi jämfört med en plats som endast innehåller oxiderat järn. Eftersom den använder mindre energi, det är lättare att först fästa och sedan oxidera arsenik på denna typ av kemisk plats på lermineralytan och det är därför reaktionen äger rum.

Att förstå denna mekanism hjälper till att förklara ödet och transporten av redoxkänsliga näringsämnen och föroreningar i miljön, och varför några av dessa kvarstår i oxiderade former även i frånvaro av upplöst syre.

Fortsatt forskning om järn i olika naturliga mineraler

Ilgen sa att laget kommer att fortsätta undersöka de kemiska mekanismerna som styr järnets reaktivitet i olika naturliga mineraler och kommer att utforska de förutsättningar som krävs för att järn ska vara reaktivt i jordar och sedimentära bergarter.

Teamet kommer att använda denna kunskap för att bättre förstå miljööde och transport av föroreningar och näringsämnen, och eventuellt utforma reaktiva barriärer för att förhindra att föroreningar kommer in i vattenvägar.