Los problemas con las cenizas de carbón comienzan más pequeños de lo que nadie pensaba

Apr 25, 2023

DURHAM, NC — Todo el mundo sabe que la quema de carbón genera una contaminación del aire que es dañina para el clima y la salud humana. Pero la ceniza que queda a menudo también puede ser dañina.

Por ejemplo, Duke Energy almacenó durante mucho tiempo una forma licuada de ceniza de carbón en 36 grandes estanques en las Carolinas. Todo eso cambió en 2014, cuando un derrame en su sitio de Dan River liberó 27 millones de galones de agua del estanque de cenizas en el medio ambiente local. El incidente suscitó preocupaciones sobre los peligros asociados incluso con pequeñas cantidades de elementos tóxicos como el arsénico y el selenio en las cenizas. Sin embargo, se sabía poco acerca de cuántos de estos materiales peligrosos estaban presentes en el agua con cenizas o con qué facilidad podían contaminar el medio ambiente circundante.

Los temores de futuros derrames y filtraciones hicieron que Duke Energy aceptara pagar $1.100 millones para desmantelar la mayoría de sus estanques de cenizas de carbón en los próximos años. Mientras tanto, los investigadores están trabajando en mejores formas de utilizar las cenizas, como reciclarlas para recuperar elementos valiosos de tierras raras o incorporarlas en materiales de construcción como el hormigón. Pero para poner en práctica cualquier solución potencial, los investigadores aún deben saber qué fuentes de cenizas de carbón representan un riesgo peligroso debido a su composición química, una pregunta que los científicos aún luchan por responder.

En un nuevo artículo publicado en la revista Environmental Science: Nano, los investigadores de la Universidad de Duke han descubierto que estas respuestas pueden seguir siendo esquivas porque nadie piensa lo suficientemente pequeño. Utilizando una de las fuentes de luz de sincrotrón más nuevas y avanzadas del mundo, la Fuente de luz de sincrotrón nacional II en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, los autores muestran que, al menos para el selenio y el arsénico, la cantidad de elementos tóxicos que pueden escapar de las cenizas de carbón depende en gran medida en sus estructuras a nanoescala.

"Estos resultados muestran cuán compleja es la ceniza de carbón como material", dijo Helen Hsu-Kim, profesora de ingeniería civil y ambiental en la Universidad de Duke. "Por ejemplo, vimos arsénico y selenio adheridos a la superficie de partículas de grano fino o encapsulados dentro de ellas, lo que explica por qué estos elementos se filtran de algunas fuentes de cenizas de carbón más fácilmente que otras".

Hace tiempo que se sabe que los factores en el entorno circundante, como el pH, afectan la forma en que los elementos tóxicos pueden moverse de la fuente al entorno. En investigaciones anteriores, Hsu-Kim demostró que la cantidad de oxígeno en el entorno de una toxina puede afectar en gran medida su química y que las diferentes fuentes de ceniza de carbón producen niveles muy diferentes de subproductos.

Pero el hecho de que una fuente de cenizas de carbón tenga un alto contenido de arsénico no significa necesariamente que se filtrarán grandes cantidades de arsénico. De manera similar, varias fuentes de cenizas responden de manera diferente a las mismas condiciones ambientales. El problema es complejo, por decir lo menos. Para adoptar un enfoque diferente, Hsu-Kim decidió echar un vistazo aún más de cerca a la fuente misma.

"Los investigadores en el campo generalmente usan microscopía de rayos X con una resolución de uno o dos micrómetros, que es aproximadamente del mismo tamaño que las partículas de ceniza volante", dijo Hsu-Kim. "Entonces, si una sola partícula es un solo píxel, no está viendo cómo se distribuyen los elementos a través de ella".

Para reducir los píxeles de estas imágenes a la nanoescala, Hsu-Kim recurrió a Catherine Peters, profesora de ingeniería civil y ambiental en la Universidad de Princeton, y sus colegas para adquirir tiempo en la Fuente de luz de sincrotrón nacional II. La máquina futurista crea rayos de luz 10 mil millones de veces más brillantes que el sol para revelar la estructura química y atómica de los materiales utilizando rayos de luz que van desde el infrarrojo hasta los rayos X duros.

Las capacidades de Brookhaven pudieron proporcionar a los investigadores un mapa a nanoescala de cada partícula junto con la distribución de elementos en cada partícula. La increíble resolución reveló que la ceniza de carbón es una compilación de partículas de todo tipo y tamaño.

Por ejemplo, en una muestra, los investigadores vieron nanopartículas individuales de selenio que estaban unidas a partículas más grandes de ceniza de carbón, que es una forma química de selenio que probablemente no sea muy soluble en agua. Pero la mayor parte de la ceniza tenía arsénico y selenio encerrados dentro de granos individuales o adheridos a la superficie con enlaces iónicos relativamente débiles que se rompen fácilmente.

"Era casi como si viéramos algo diferente en cada muestra que miramos", dijo Hsu-Kim. "La amplia gama de diferencias realmente destaca por qué la característica principal que nos importa, la cantidad de estos elementos que se filtran de las cenizas, varía tanto entre las diferentes muestras".

Si bien nadie puede decir con certeza qué hace que las cenizas de carbón desarrollen su composición única, Hsu-Kim supone que probablemente esté relacionado principalmente con la forma en que se formó originalmente el carbón hace millones de años. Pero también podría tener algo que ver con las centrales eléctricas que queman el carbón. Algunas plantas inyectan carbón activado o cal en los gases de combustión, que capturan las emisiones de mercurio y azufre, respectivamente. A 1000 grados Fahrenheit, las toxinas como el arsénico y el selenio en la chimenea son gaseosas, y la física que dicta cómo las partículas se enfriarán y recombinarán para formar cenizas es incontrolable.

Pero independientemente del cómo, los investigadores ahora saben que deberían prestar más atención a los detalles finos encapsulados en los resultados finales.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de la Universidad de Duke