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Todos sabem que a queima de carvão causa poluição do ar prejudicial ao clima e à saúde humana. Mas as cinzas que sobraram também podem ser prejudiciais.
Por exemplo, a Duke Energy armazenou por muito tempo uma forma liquefeita de cinzas de carvão em 36 grandes lagoas nas Carolinas. Tudo isso mudou em 2014, quando um vazamento no local do rio Dan liberou 27 milhões de galões de água de lagoa de cinzas no ambiente local. O incidente levantou preocupações sobre os perigos associados a vestígios de elementos tóxicos como arsênico e selênio nas cinzas. Pouco se sabia, no entanto, sobre quanto desses materiais perigosos estavam presentes na água de cinzas ou com que facilidade eles poderiam contaminar o ambiente ao redor.
O medo de futuros derramamentos e infiltrações fez com que a Duke Energy concordasse em pagar US$ 1,1 bilhão para descomissionar a maior parte de suas lagoas de cinzas de carvão nos próximos anos. Enquanto isso, os pesquisadores estão trabalhando em melhores maneiras de usar as cinzas, como reciclá-las para recuperar valiosos elementos de terras raras ou incorporá-las em materiais de construção, como concreto. Mas, para colocar qualquer solução potencial em ação, os pesquisadores ainda precisam saber quais fontes de cinzas de carvão representam um risco perigoso devido à sua composição química – uma questão que os cientistas ainda lutam para responder.
Em um novo artigo publicado em 6 de junho na revista Ciência Ambiental: Nano, pesquisadores da Duke University descobriram que essas respostas podem permanecer indescritíveis porque ninguém está pensando pequeno o suficiente. Usando uma das mais novas e avançadas fontes de luz síncrotron do mundo – a National Synchrotron Light Source II no Brookhaven National Laboratory – os autores mostram que, pelo menos para selênio e arsênico, a quantidade de elementos tóxicos capazes de escapar do carvão cinzas depende em grande parte de suas estruturas em nanoescala.
“Esses resultados mostram o quão complexa é a cinza de carvão como material”, disse Helen Hsu-Kim, professora de engenharia civil e ambiental da Duke University. “Por exemplo, vimos arsênico e selênio ligados à superfície de partículas de grãos finos ou encapsulados dentro deles, o que explica por que esses elementos são lixiviados de algumas fontes de cinzas de carvão mais facilmente do que outras”.
Há muito se sabe que fatores no ambiente circundante, como o pH, afetam o quão bem os elementos tóxicos podem se mover da fonte para os arredores. Em pesquisas anteriores, Hsu-Kim mostrou que a quantidade de oxigênio no ambiente de uma toxina pode afetar muito sua química e que diferentes fontes de cinzas de carvão produzem níveis muito diferentes de subprodutos.
Mas só porque uma fonte de cinzas de carvão é rica em arsênico não significa necessariamente que grandes quantidades de arsênico serão lixiviadas dela. Da mesma forma, várias fontes de cinzas respondem de maneira diferente às mesmas condições ambientais. O problema é complexo, para dizer o mínimo. Para adotar uma abordagem diferente, Hsu-Kim decidiu examinar ainda mais de perto a própria fonte.
“Os pesquisadores no campo normalmente usam microscopia de raios-x com uma resolução de um ou dois micrômetros, que é aproximadamente do mesmo tamanho que as próprias partículas de cinzas volantes”, disse Hsu-Kim. “Portanto, se uma única partícula é um único pixel, você não está vendo como os elementos são distribuídos por ela.”
Para reduzir os pixels dessas imagens à nanoescala, Hsu-Kim recorreu a Catherine Peters, professora de engenharia civil e ambiental da Universidade de Princeton, e seus colegas para adquirir tempo na National Synchrotron Light Source II. A máquina futurística cria feixes de luz 10 bilhões de vezes mais brilhantes que o sol para revelar a estrutura química e atômica dos materiais usando feixes de luz que vão do infravermelho aos raios-X duros.
Os recursos de Brookhaven foram capazes de fornecer aos pesquisadores um mapa em nanoescala de cada partícula, juntamente com a distribuição de elementos em cada partícula. A incrível resolução revelou que as cinzas de carvão são uma compilação de partículas de todos os tipos e tamanhos.
Por exemplo, em uma amostra, os pesquisadores viram nanopartículas individuais de selênio ligadas a partículas maiores de cinzas de carvão, que é uma forma química de selênio que provavelmente não é muito solúvel em água. Mas a maior parte das cinzas tinha arsênico e selênio presos dentro de grãos individuais ou presos na superfície com ligações iônicas relativamente fracas que são facilmente quebradas.
“Foi quase como se tivéssemos visto algo diferente em cada amostra que examinamos”, disse Hsu-Kim. “A ampla gama de diferenças realmente destaca por que a principal característica com a qual nos preocupamos – quanto desses elementos sai das cinzas – varia tanto entre amostras diferentes.”
Embora ninguém possa dizer com certeza o que faz com que as cinzas de carvão desenvolvam sua composição única, Hsu-Kim acredita que provavelmente está relacionado principalmente à forma como o carvão foi originalmente formado milhões de anos atrás. Mas também pode ter algo a ver com as usinas que queimam o carvão. Algumas usinas injetam carvão ativado ou cal no gás de combustão, que captura as emissões de mercúrio e enxofre, respectivamente. A 1000 graus Fahrenheit, toxinas como arsênico e selênio na chaminé são gasosas, e a física que dita como as partículas irão resfriar e se recombinar para formar cinzas é incontrolável.
Mas, independentemente de como, os pesquisadores agora sabem que devem prestar mais atenção aos detalhes encapsulados nos resultados finais.
Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA (DE-FE0031748) e pelo Instituto Nacional de Ciências da Saúde Ambiental (5U2C-ES030851). Esta pesquisa utilizou recursos do US DOE Office of Science User Facility na instalação Stanford Synchrotron Radiation Lightsource operada pelo SLAC National Accelerator Laboratory (DE-AC02-76SF0051) e no Hard X-ray Nanoprobe (HXN) Beamline em 3-ID do National Instalação Synchrotron Light Source II operada pelo Brookhaven National Laboratory (DE-SC0012704).
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