I problemi con le ceneri di carbone iniziano più piccoli di quanto si pensasse

Dec 05, 2023

DURHAM, Carolina del Nord – Tutti sanno che la combustione del carbone provoca un inquinamento atmosferico dannoso per il clima e la salute umana. Ma spesso anche la cenere rimasta può essere dannosa.

Ad esempio, la Duke Energy ha immagazzinato per lungo tempo una forma liquefatta di cenere di carbone in 36 grandi stagni in tutta la Carolina. Tutto è cambiato nel 2014, quando una fuoriuscita nel sito del fiume Dan ha rilasciato 27 milioni di litri di acqua di stagno di cenere nell’ambiente locale. L'incidente ha sollevato preoccupazioni sui pericoli associati anche a tracce di elementi tossici come l'arsenico e il selenio nella cenere. Si sapeva poco, tuttavia, sulla quantità di questi materiali pericolosi presenti nell’acqua delle ceneri o sulla facilità con cui avrebbero potuto contaminare l’ambiente circostante.

I timori di future fuoriuscite e infiltrazioni hanno portato la Duke Energy ad accettare di pagare 1,1 miliardi di dollari per smantellare la maggior parte dei suoi bacini di cenere di carbone nei prossimi anni. Nel frattempo, i ricercatori stanno lavorando su modi migliori per utilizzare le ceneri, come riciclarle per recuperare preziosi elementi delle terre rare o incorporarle in materiali da costruzione come il cemento. Ma per mettere in atto qualsiasi potenziale soluzione, i ricercatori devono ancora sapere quali fonti di ceneri di carbone rappresentano un rischio pericoloso a causa della sua composizione chimica, una domanda a cui gli scienziati ancora faticano a rispondere.

In un nuovo articolo pubblicato nella rivista Environmental Science: Nano, i ricercatori della Duke University hanno scoperto che queste risposte potrebbero rimanere sfuggenti perché nessuno pensa abbastanza in piccolo. Utilizzando una delle sorgenti di luce di sincrotrone più nuove e avanzate al mondo, la National Synchrotron Light Source II del Brookhaven National Laboratory, gli autori dimostrano che, almeno per il selenio e l'arsenico, la quantità di elementi tossici in grado di fuoriuscire dalle ceneri di carbone dipende in gran parte sulle loro strutture su scala nanometrica.

"Questi risultati mostrano quanto sia complesso il materiale delle ceneri di carbone", ha affermato Helen Hsu-Kim, professoressa di ingegneria civile e ambientale alla Duke University. "Ad esempio, abbiamo visto l'arsenico e il selenio attaccati alla superficie di particelle a grana fine o incapsulati al loro interno, il che spiega perché questi elementi fuoriescono da alcune fonti di cenere di carbone più facilmente di altre."

È noto da tempo che i fattori dell'ambiente circostante, come il pH, influiscono sulla capacità degli elementi tossici di spostarsi dalla fonte all'ambiente circostante. In ricerche precedenti, Hsu-Kim ha dimostrato che la quantità di ossigeno nell’ambiente circostante una tossina può influenzare notevolmente la sua chimica e che diverse fonti di ceneri di carbone producono livelli molto diversi di sottoprodotti.

Ma solo perché una fonte di ceneri di carbone è ricca di arsenico non significa necessariamente che da essa fuoriescano quantità elevate di arsenico. Allo stesso modo, varie fonti di cenere rispondono in modo diverso alle stesse condizioni ambientali. Il problema è a dir poco complesso. Per adottare un approccio diverso, Hsu-Kim ha deciso di dare uno sguardo ancora più attento alla fonte stessa.

"I ricercatori sul campo utilizzano tipicamente la microscopia a raggi X con una risoluzione di uno o due micrometri, che ha circa la stessa dimensione delle stesse particelle di cenere volante", ha detto Hsu-Kim. "Quindi, se una singola particella è un singolo pixel, non puoi vedere come sono distribuiti gli elementi su di esso."

Per ridurre i pixel di queste immagini su scala nanometrica, Hsu-Kim si è rivolto a Catherine Peters, professoressa di ingegneria civile e ambientale all'Università di Princeton, e ai suoi colleghi per acquisire tempo sulla National Synchrotron Light Source II. La macchina futuristica crea fasci di luce 10 miliardi di volte più luminosi del sole per rivelare la struttura chimica e atomica dei materiali utilizzando fasci di luce che vanno dagli infrarossi ai raggi X duri.

Le capacità di Brookhaven sono state in grado di fornire ai ricercatori una mappa su scala nanometrica di ciascuna particella insieme alla distribuzione degli elementi in ciascuna particella. L’incredibile risoluzione ha rivelato che le ceneri di carbone sono una raccolta di particelle di ogni tipo e dimensione.

Ad esempio, in un campione i ricercatori hanno visto singole nanoparticelle di selenio attaccate a particelle più grandi di cenere di carbone, che è una forma chimica di selenio che probabilmente non è molto solubile in acqua. Ma la maggior parte delle ceneri conteneva arsenico e selenio rinchiusi all’interno dei singoli grani o attaccati alla superficie con legami ionici relativamente deboli che si rompono facilmente.