Los problemas con las cenizas de carbón empiezan siendo menores de lo que se pensaba

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 del río Dan liberó 27 millones de galones de agua de un estanque de cenizas al medio ambiente local. El incidente generó preocupación sobre los peligros asociados con incluso trazas de elementos tóxicos como arsénico y selenio en las cenizas. Sin embargo, poco se sabía acerca de la cantidad de estos materiales peligrosos que estaban presentes en el agua de 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 de dólares 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 aprovechar la ceniza, como reciclarla para recuperar valiosos elementos de tierras raras o incorporarla a 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 el 6 de junio en la revista Ciencias Ambientales: Nano, Investigadores de la Universidad de Duke han descubierto que estas respuestas pueden seguir siendo difíciles de alcanzar 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 del Laboratorio Nacional de Brookhaven, los autores muestran que, al menos para el selenio y el arsénico, la cantidad de elementos tóxicos capaces de escapar del carbón La ceniza depende en gran medida de sus estructuras a nanoescala.

'Estos resultados muestran cuán complejo es el material de las cenizas de carbón', 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 lixivian de algunas fuentes de cenizas de carbón más fácilmente que otras'.

Se sabe desde hace mucho tiempo que los factores del entorno, como el pH, afectan la capacidad de los elementos tóxicos para moverse desde 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 diferentes fuentes de cenizas 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 lixivien grandes cantidades de arsénico. De manera similar, distintas 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 examinar aún más de cerca la fuente misma.

'Los investigadores en este campo suelen utilizar microscopía de rayos X con una resolución de uno o dos micrómetros, que es aproximadamente el mismo tamaño que las partículas de cenizas volantes', dijo Hsu-Kim. 'Entonces, si una sola partícula es un solo píxel, no verás cómo se distribuyen los elementos en él'.

Para reducir los píxeles de estas imágenes a nanoescala, Hsu-Kim recurrió a Catherine Peters, profesora de ingeniería civil y ambiental en la Universidad de Princeton, y a sus colegas para adquirir tiempo en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón 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 haces de luz que van desde infrarrojos hasta 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 las cenizas de carbón son una recopilación de partículas de todo tipo y tamaño.

Por ejemplo, en una muestra los investigadores vieron nanopartículas individuales de selenio unidas a partículas más grandes de ceniza de carbón, que es una forma química de selenio que probablemente no es 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.

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

Si bien nadie puede decir con certeza qué causa que las cenizas de carbón desarrollen su composición única, Hsu-Kim supone que probablemente esté relacionado principalmente con cómo se formó originalmente el carbón hace millones de años. Pero también podría tener algo que ver con las centrales eléctricas que queman carbón. Algunas plantas inyectan carbón activado o cal en los gases de combustión, lo que captura 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 se recombinarán para formar cenizas es incontrolable.

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

Este trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU. (DE-FE0031748) y el Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental (5U2C-ES030851). Esta investigación utilizó recursos de la Oficina de Usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE de EE. UU. en las instalaciones de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource operadas por el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC (DE-AC02-76SF0051) y en la línea de luz de la Nanoprobe de rayos X duros (HXN) en 3-ID del National Instalación Synchrotron Light Source II operada por el Laboratorio Nacional Brookhaven (DE-SC0012704).