Исследование выявило химический механизм, показывающий, как железо в почвах может иммобилизовать мышьяк
Исследователи из Sandia National Laboratories обнаружили механизм «включения» железа, содержащегося в структурах глинистых минералов, что позволило понять, как сделать железо реакционноспособным в бескислородных условиях.
Эта работа поможет ученым понять и предсказать, как загрязнители, такие как мышьяк, селен и хром, перемещаются в окружающей среде и попадают в водные пути. Эти химические принципы можно применить для создания естественных почвенных барьеров для удаления этих загрязнителей из воды и разработки реактивных мембран, способных трансформировать загрязнители в процессе фильтрации воды.
Исследование представлено на обложке недавнего выпуска журнала Environmental Science: Nano в статье «"Включение" железа в глинистых минералах» за авторством исследователей из Sandia Анастасии Ильген, Кевина Леунга, Рэйчел Вашингтон и Рави Куккадапу из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. Работа финансировалась программой Basic Energy Sciences Министерства энергетики США.
Понимание реакций железа
«В науках о Земле мы десятилетиями признавали, что понимание того, как реагирует железо, критически важно для понимания того, как загрязнители перемещаются и трансформируются в окружающей среде», — заявила ведущий автор Анастасия Ильген.
Железо — ключевой компонент земной коры и четвертый по распространенности элемент. Минералы, содержащие железо, составляют большую часть почв и осадочных пород. Адсорбция и химические превращения на поверхностях минералов, содержащих железо, определяют судьбу и перенос химических веществ в окружающей среде. Адсорбция (прикрепление загрязнителей к поверхностям минералов) и химические реакции на этих поверхностях управляют тем, как эти вещества перемещаются.
Ильген объясняет, что железо в почвах может существовать в двух степенях окисления: восстановленной и окисленной. Это важно, потому что железо постоянно циклирует между этими формами в ответ на незначительные изменения условий в почве.
«Глинистые минералы чрезвычайно распространены в почвах, и они часто содержат железо в своей структуре, — сказала она. — Поверхности глинистых минералов, которые содержат только окисленное железо, не реакционноспособны. Они адсорбируют мышьяк, но не трансформируют его химически. Однако эти же поверхности становятся реакционноспособными, как только в структуру глинистого минерала вводится незначительное количество восстановленного железа».
До сих пор было неизвестно, как и почему глинистые минералы со следовыми количествами восстановленного железа реагируют в отсутствие кислорода.
«Мы обнаружили механизм, с помощью которого окисленное железо в структурах глинистых минералов реагирует в бескислородных условиях, и почему для протекания реакций необходимы следовые количества восстановленного железа», — сказала Ильген.
Команда провела работу с использованием различных инструментов и методов
С помощью экспериментальных инструментов команда точно определила химические участки в глинистых минералах, которые реагировали с мышьяком. Было показано, что реакционноспособными являются атомы железа, расположенные на краях глинистых минералов, и для протекания реакций эти участки должны содержать как восстановленное, так и окисленное железо.
Команда использовала вычислительные методы для расчета энергии, необходимой для окисления мышьяка, адсорбированного на участке, содержащем исключительно окисленное железо, по сравнению с участком, содержащим как окисленное, так и восстановленное железо. Эти расчеты показали, что с термодинамической точки зрения добавление одного восстановленного атома железа рядом с окисленным не делает окисление мышьяка более благоприятным.
Тогда возникает вопрос: почему эти участки реакционноспособны в окружающей среде? Используя спектроскопический анализ, команда продемонстрировала, что для окисления загрязнителя, такого как мышьяк, на поверхности глинистого минерала он должен вытеснить молекулы воды с этой поверхности. Отсоединение молекулы воды — необходимый химический шаг для присоединения мышьяка, чтобы иметь возможность окислить его на поверхности глинистого минерала.
Расчеты показывают, что удаление воды с участка, содержащего как восстановленное, так и окисленное железо, требует меньше энергии по сравнению с участком, содержащим только окисленное железо. Поскольку требуется меньше энергии, легче сначала присоединить, а затем окислить мышьяк на таком типе химического участка на поверхности глинистого минерала, и поэтому реакция происходит.
Понимание этого механизма помогает объяснить судьбу и перенос чувствительных к окислительно-восстановительным условиям питательных веществ и загрязнителей в окружающей среде, и почему некоторые из них сохраняются в окисленных формах даже в отсутствие растворенного кислорода.
Продолжение исследований железа в различных природных минералах
Ильген сообщила, что команда продолжит исследовать химические механизмы, управляющие реакционной способностью железа в различных природных минералах, и изучит условия, необходимые для реакционной способности железа в почвах и осадочных породах.
Команда будет использовать эти знания для лучшего понимания судьбы и переноса загрязнителей и питательных веществ в окружающей среде и, возможно, для проектирования реактивных барьеров, предотвращающих попадание загрязнителей в водные пути.