الرماد المتبقي من الفحم ضار بالمناخ وصحة الإنسان.. يحمل عناصر الزرنيخ والسيلينيوم السامة

يعلم الجميع أن حرق الفحم يسبب تلوث الهواء الضار بالمناخ وصحة الإنسان، لكن الرماد المتبقي يمكن أن يكون ضارًا أيضًا.

على سبيل المثال ، خزنت شركة Duke Energy لفترة طويلة شكلاً مُسالًا من رماد الفحم في 36 حوضًا كبيرًا، تغير كل ذلك في عام 2014 ، عندما تسبب تسرب في موقع نهر دان في إطلاق 27 مليون جالون من مياه بركة الرماد في البيئة المحلية.

أثار الحادث مخاوف بشأن المخاطر المرتبطة حتى بكميات ضئيلة من العناصر السامة مثل الزرنيخ والسيلينيوم في الرماد، لم يكن معروفًا سوى القليل عن كمية هذه المواد الخطرة الموجودة في مياه الرماد أو مدى سهولة تلويثها للبيئة المحيطة.

تسببت المخاوف من الانسكابات والتسربات المستقبلية لشركة Duke Energy في الموافقة على دفع 1.1 مليار دولار لإيقاف تشغيل معظم برك رماد الفحم الخاصة بها خلال السنوات القادمة.

الفحم

طرق أفضل لإعادة تدوير الرماد

وفي الوقت نفسه، يعمل الباحثون على طرق أفضل لاستخدام الرماد، مثل إعادة تدويره لاستعادة العناصر الأرضية النادرة القيمة أو دمجها في مواد البناء مثل الخرسانة.

ولكن لوضع أي حل محتمل موضع التنفيذ، لا يزال يتعين على الباحثين معرفة مصادر رماد الفحم التي تشكل خطرًا خطيرًا بسبب تركيبتها الكيميائية – وهو سؤال لا يزال العلماء يكافحون للإجابة عليه.

في ورقة بحثية جديدة نُشرت في مجلة العلوم البيئية، اكتشف باحثون في جامعة ديوك، أن هذه الإجابات قد تظل بعيدة المنال لأن لا أحد يفكر بالقدر الكافي.

باستخدام أحد أحدث مصادر ضوء السنكروترون وأكثرها تقدمًا في العالم – National Synchrotron Light Source II في مختبر Brookhaven الوطني – يوضح المؤلفون أنه، على الأقل بالنسبة للسيلينيوم والزرنيخ، تعتمد كمية العناصر السامة القادرة على الهروب من رماد الفحم إلى حد كبير على هياكلها النانوية .

قالت هيلين هسو كيم، أستاذة الهندسة المدنية والبيئية في جامعة ديوك: “تُظهر هذه النتائج مدى تعقيد رماد الفحم كمادة”، “على سبيل المثال، رأينا الزرنيخ والسيلينيوم إما مرتبطين بسطح حبيبات دقيقة أو مغلفين بداخلهما، وهو ما يفسر سبب تسرب هذه العناصر من بعض مصادر رماد الفحم بسهولة أكبر من غيرها.”

كمية الأكسجين في محيط السموم

من المعروف منذ فترة طويلة أن العوامل الموجودة في البيئة المحيطة مثل الأس الهيدروجيني تؤثر على كيفية انتقال العناصر السامة من المصدر إلى البيئة المحيطة.

في بحث سابق ، أظهرت هسو كيم، أن كمية الأكسجين في محيط السموم يمكن أن تؤثر بشكل كبير على كيمياءها، وأن المصادر المختلفة لرماد الفحم تنتج مستويات مختلفة إلى حد كبير من المنتجات الثانوية.

ولكن لمجرد أن أحد مصادر رماد الفحم يحتوي على نسبة عالية من الزرنيخ لا يعني بالضرورة أن كميات كبيرة من الزرنيخ سوف تتسرب منه، وبالمثل، فإن مصادر الرماد المختلفة تستجيب بشكل مختلف لنفس الظروف البيئية.

المشكلة معقدة، على أقل تقدير، لاتخاذ نهج مختلف ، قررت Hsu-Kim إلقاء نظرة فاحصة على المصدر نفسه.

قال هسو كيم: “يستخدم الباحثون في هذا المجال عادةً الفحص المجهري بالأشعة السيتنية بدقة تصل إلى ميكرومتر أو ميكرومترين ، وهي تقريبًا نفس حجم جزيئات الرماد المتطاير نفسها”، “لذا إذا كان الجسيم الواحد بكسلًا واحدًا ، فأنت لا ترى كيف يتم توزيع العناصر عبره.”

جسيمات من جميع الأنواع والأحجام

لتقليص وحدات البكسل في هذه الصور إلى المقياس النانوي ، لجأت هسو كيم إلى كاثرين بيترز، أستاذة الهندسة المدنية والبيئية في جامعة برينستون، وزملائها لاكتساب الوقت على National Synchrotron Light Source II تخلق الآلة المستقبلية أشعة ضوئية أكثر سطوعًا بـ 10 مليارات مرة من الشمس لتكشف عن التركيب الكيميائي والذري للمواد

باستخدام أشعة ضوئية تتراوح من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة السينية الصلبة.

كانت قدرات Brookhaven قادرة على تزويد الباحثين بخريطة نانوية لكل جسيم مع توزيع العناصر في كل جسيم، كشفت الدقة المذهلة أن رماد الفحم عبارة عن مجموعة من الجسيمات من جميع الأنواع والأحجام.

على سبيل المثال، في إحدى العينات، رأى الباحثون جسيمات نانوية فردية من السيلينيوم مرتبطة بجزيئات أكبر من رماد الفحم، وهو شكل كيميائي من السيلينيوم ربما لا يكون شديد الذوبان في الماء.

لكن معظم الرماد يحتوي على الزرنيخ والسيلينيوم إما محبوسين داخل حبيبات فردية أو مثبتين على السطح مع روابط أيونية ضعيفة نسبيًا يمكن كسرها بسهولة.

قالت هسو كيم: “لقد بدا الأمر كما لو رأينا شيئًا مختلفًا في كل عينة نظرنا إليها”، “تبرز مجموعة الاختلافات الواسعة حقًا سبب اختلاف السمة الرئيسية التي نهتم بها – مقدار تسرب هذه العناصر من الرماد – كثيرًا بين العينات المختلفة.”

في حين لا يمكن لأحد أن يقول على وجه اليقين ما الذي يجعل رماد الفحم يطور تركيبته الفريدة، تعتقد هسو كيم أنه من المحتمل أن يكون مرتبطًا في الغالب بكيفية تشكل الفحم في الأصل منذ ملايين السنين.

ولكن قد يكون لها أيضًا علاقة بمحطات الطاقة التي تحرق الفحم، تقوم بعض المصانع بحقن الكربون المنشط أو الجير في غاز المداخن، الذي يلتقط الزئبق وانبعاثات الكبريت، على التوالي.

عند 1000 درجة فهرنهايت ، تكون السموم مثل الزرنيخ والسيلينيوم في المداخن غازية، والفيزياء التي تملي كيفية تبريد الجسيمات وإعادة اتحادها لتشكيل الرماد لا يمكن السيطرة عليها.

ولكن بغض النظر عن الطريقة، يعرف الباحثون الآن أنه يجب عليهم إيلاء اهتمام أكبر للتفاصيل الدقيقة المغلفة في النتائج النهائية.

تابعنا على تطبيق نبض