Método de descontaminação elimina poluentes do solo

Um método desenvolvido por cientistas da Rice University e colaboradores do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos (ERDC) poderia ajudar a transformar os processos de remediação do solo de forma fragmentada para atacado.

Uma equipe de cientistas da Rice liderada pelo químico James Tour e pesquisadores das estruturas geotécnicas e ramos de engenharia ambiental do ERDC mostraram que misturar solo poluído com compostos não tóxicos e ricos em carbono que impulsionam a corrente elétrica, como o biochar, e depois destruir a mistura com curtos rajadas de eletricidade eliminam poluentes orgânicos e metais pesados ​​sem usar água ou gerar resíduos.

De acordo com um estudo publicado em Comunicações da Natureza, os pulsos elétricos elevam a temperatura do solo até 1.000-3.000 graus Celsius conforme necessário (1.832-5.432 Fahrenheit) em segundos, transformando contaminantes orgânicos em minerais de grafite não tóxicos e metais pesados ​​tóxicos em vapor coletado por meio de tubos de extração. Além disso, o processo é benéfico para a fertilidade do solo, com experiências que mostram que as taxas de germinação melhoram em 20-30% no solo remediado.

“Nosso processo eletrotérmico de alta temperatura pode remover vários poluentes simultaneamente”, disse o autor principal Bing Deng, pesquisador de pós-doutorado no laboratório Tour. “Este método recém-estabelecido, que chamamos de processo eletrotérmico de alta temperatura (HET), é baseado na técnica de aquecimento flash Joule que desenvolvemos há alguns anos. É a primeira vez que o aquecimento elétrico direto é usado para remediação de solos.”

Metais pesados ​​como chumbo, arsénico, zinco, cobalto, cobre, mercúrio e níquel e contaminantes orgânicos como pesticidas e microplásticos são os principais poluentes do solo. Além das atividades antrópicas, eventos naturais como terremotos e inundações também podem causar contaminação do solo: as cinzas tóxicas liberadas por incêndios florestais como os que devastaram o Havaí em agosto ou qualquer potencial resíduo industrial liberado pelo degelo do permafrost no Ártico poderia contaminar vastas áreas de solo, exigindo protocolos de descontaminação em grande escala.

No entanto, os métodos atuais de remoção de poluentes do solo são demorados, dispendiosos e logisticamente desafiantes. Algumas técnicas de descontaminação, como a lixiviação de surfactantes, também geram fluxos secundários de resíduos e consomem quantidades significativas de água e/ou eletricidade. Encontrar melhores formas de descontaminar o solo é fundamental para melhorar a preparação para desastres, tornando-o uma prioridade de segurança nacional, disse Deng.

“Este método é ultrarrápido, o que pode ser muito útil para lidar com situações de emergência”, acrescentou Deng.

“As tecnologias de remediação do solo normalmente visam apenas um ou dois metais pesados ​​de cada vez, e muitas vezes não são muito bem-sucedidas ou funcionam a um ritmo muito mais lento do que o aquecimento eletrotérmico”, disse Mine Ucak-Astarlioglu, um químico pesquisador do ERDC. “Este método é muito rápido, sem água e lida com vários poluentes no solo. O aquecimento Flash Joule é uma técnica incrivelmente promissora na recuperação de metais críticos de resíduos e remoção de metais pesados ​​para remediação.”

Chris Griggs, cientista físico pesquisador sênior do ERDC, disse que, atualmente, o solo poluído pode ser escavado e retirado de locais povoados – uma opção que ele chama de “pesadelo logístico” – ou pode ser tratado no local para evitar elementos tóxicos migrem para o ar, água ou abastecimento de alimentos circundantes.

“Certos contaminantes podem ser bons – eles não vão se mover. Outros podem migrar para os lençóis freáticos e fontes de água potável. Alguns podem acabar contaminando as plantações, onde metais pesados ​​tóxicos podem ser extraídos pelas raízes das plantas, etc.”, disse Griggs. “Ser capaz de regenerar o solo e colocá-lo de volta onde estava é uma enorme vantagem em relação às tecnologias existentes.”

Um efeito surpreendente do tratamento rápido a alta temperatura é que ele deixa o tamanho das partículas do solo e a composição mineral geral relativamente inalteradas. Na verdade, o processo melhora a taxa de infiltração da água e aumenta o conjunto de nutrientes disponíveis, tornando o solo mais fértil.

“Foi surpreendente para nós não danificarmos o solo no processo”, disse Tour, professor de química TT e WF Chao de Rice e professor de ciência de materiais e nanoengenharia. “Na verdade, as plantas gostam mais, por causa dos minerais que são liberados na ciclagem térmica”.

Yi Cheng, pesquisador de pós-doutorado da Rice e coautor principal que ajudou na caracterização das propriedades do solo, disse que o processo funciona igualmente bem em solo úmido.

“Nosso processo é econômico e ecologicamente correto”, acrescentou Cheng.

O estudo inclui uma análise do ciclo de vida que mostra que o processo é escalonável e promete ser mais eficiente em termos energéticos e económico do que as práticas tradicionais de remediação do solo, como lavagem do solo ou dessorção térmica.

“Desenvolvemos dois modelos de implementação para implantação externa e local e estamos ansiosos para levar esse processo para o próximo estágio – testes de campo”, disse Deng.

A colaboração entre Rice e o ERDC poderá ajudar na transição tecnológica da fase de prova de conceito para a prática do mundo real.

“Quando se trata de tecnoeconomia e escalabilidade do processo, podemos levantar um pouco mais e ir um pouco maior do que uma universidade poderia, mas o lado da descoberta da pesquisa é onde as universidades se destacam”, disse Griggs. “É uma boa parceria.”

“É uma parceria técnica, uma parceria educacional e também oferece oportunidades de emprego”, disse Ucak-Astarlioglu. “É uma situação ganha-ganha para todos os parceiros universitários envolvidos.”

O ex-aluno do Rice, Robert Carter, também é o principal coautor do estudo. Outros autores incluem os alunos de pós-graduação da Rice, Lucas Eddy e Debadrita Jana; os pesquisadores de pós-doutorado Yuan Liu e Shichen Xu; os cientistas pesquisadores Xiaodong Gao e Carter Kittrell; o estudante de graduação Khalil JeBailey; Os ex-alunos de doutorado em Rice, Duy Xuan Luong e Kevin Wyss; Mark Torres, professor assistente de ciências da Terra, ambientais e planetárias; e Janet Braam, professora de biociências e reitora associada para iniciativas estratégicas.

A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-22-1-0526), ​​Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Engenheiros do Exército dos EUA (W912HZ-21-2-0050) e pela Bolsa de Estudos Stauffer-Rothwell e Autoridade de Equipamentos Compartilhados de Rice.