Quando l'acqua scorre in profondità nel sottosuolo, spesso dissolve le sostanze inorganiche dai depositi minerali nella crosta terrestre. In molte regioni, questi depositi contengono arsenico, un elemento naturale che è incolore, insapore e inodore. Sebbene la sua presenza sia appena percettibile, l'esposizione prolungata ad acqua contaminata da arsenico può portare alla cancrena, malattie e molti tipi di cancro, con conseguente grave perdita di reddito per milioni di persone e persino la morte.

Poiché molte regioni mancano delle risorse e delle infrastrutture per trattare la propria acqua con mezzi convenzionali, non hanno altra scelta che continuare ad esporsi a questi rischi. La crisi della diffusa contaminazione da arsenico, in particolare nelle zone rurali dell'Asia meridionale, è stato descritto come il più grande avvelenamento di massa nella storia umana.

"L'arsenico naturale nelle acque sotterranee è in realtà più comune di quanto si pensi, "dice Case van Genuchten, ricercatore presso il Dipartimento di geochimica del Servizio geologico di Danimarca e Groenlandia. "Molte regioni hanno centralizzato il trattamento delle acque, che lo rende abbastanza facile da rimuovere. Ma nelle regioni che non dispongono di una rete idrica e si affidano a pozzi sotterranei, devi pensare un po' di più a come implementare soluzioni sostenibili per il trattamento delle acque."

Ispirato dai processi naturali nel suolo che legano i contaminanti e li filtrano, van Genuchten ha utilizzato ossidi di ferro come ruggine, che sono abbondanti nel suolo, per filtrare l'arsenico dalle acque sotterranee. Conduce esperimenti presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia che studiano metodi a basso costo per il trattamento delle acque sotterranee utilizzando solo piccole quantità di elettricità e acciaio o ferro. Il documento più recente della squadra, che confronta le prestazioni di rimozione dell'arsenico di diverse forme di ruggine è stato pubblicato in Ricerca sull'acqua .

I colori della ruggine

La ruggine si forma quando il ferro reagisce con l'ossigeno e l'umidità. Questa reazione fa sì che gli atomi di ferro perdano elettroni, aumentando lo stato di ossidazione del materiale. Diversi stati di ossidazione producono colori diversi, o forme, di ruggine. Ogni forma ha proprietà uniche e reagisce in modo diverso con l'arsenico.

Il team utilizza i raggi X della Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) di SLAC per capire meglio come l'arsenico si lega a diverse particelle di ruggine, un'interazione che viene utilizzata per rimuovere l'arsenico negli effettivi processi di purificazione in un impianto di trattamento delle acque situato in una scuola in un villaggio rurale del Bengala occidentale, India.

"Quello che facciamo è prendere pezzi di ferro, che sono facili da trovare, e inserirli nelle acque sotterranee pompate in un serbatoio collegato a un alimentatore, come una batteria per auto, " dice van Genuchten. "La corrente della batteria corrode il ferro e produce ruggine. L'arsenico si lega alla superficie di queste particelle di ruggine, che può poi essere filtrato per gravità, o potenzialmente, usando i magneti. ogni tipo di ruggine, dal nero al rosso al verde, ha una disposizione atomica diversa. Cambiando il modo in cui applichiamo la corrente all'acqua, possiamo controllare la struttura atomica e la reattività della ruggine per ottimizzare il nostro sistema".

Ago in un pagliaio

I ricercatori hanno scoperto che la magnetite, una forma di ruggine nera che si trova in molti tipi diversi di rocce, è il più efficiente per questo processo, funziona bene anche a basse concentrazioni.

Alla SSRL, il team utilizza i raggi X per determinare la struttura delle particelle di magnetite e come l'arsenico forma legami chimici con il minerale. Facendo brillare i raggi X su campioni di ruggine legati con arsenico, i ricercatori possono eliminare gli elettroni dai gusci più interni degli atomi di arsenico, che rende possibile rilevare gli atomi di arsenico anche in tracce difficili da trovare come un ago in un pagliaio. Questa tecnica basata sul sincrotrone, chiamata spettroscopia di assorbimento dei raggi X, utilizza raggi X con energie finemente controllate per ottenere informazioni su come l'arsenico si lega al ferro ed è uno dei pochi metodi in grado di produrre informazioni così dettagliate sul comportamento dei metalli tossici in tracce.

Attraverso questi esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che la magnetite ha una struttura unica rispetto ad altre forme di ruggine che le consente di formare legami più forti con il contaminante.

"Si è scoperto che la forma e le dimensioni della molecola di arsenico si adattano come un pezzo di puzzle alla struttura della magnetite, " Van Genuchten dice. "Questo porta all'incorporazione di arsenico nella particella di magnetite piuttosto che semplicemente legarsi alla superficie minerale".

Impatto nel mondo reale

Attraverso questa ricerca, van Genuchten spera di trovare modi per produrre particelle di ruggine più velocemente e controllare meglio come reagiscono con l'arsenico in modo che il sistema di trattamento dell'acqua possa essere ottimizzato al punto da poter essere ampiamente implementato. Dice che gli piace il modo in cui il progetto gli consente di portare avanti la ricerca fondamentale anche se è guidata da applicazioni chiare e bisogni urgenti.

"Ho iniziato a fare ricerche sul trattamento dell'acqua perché volevo avere un impatto positivo sul mondo, " dice. "A volte mi sento frustrato quando le parti della mia ricerca sul trattamento dell'acqua non vanno come previsto, ma poi aiuta ricordare che sto anche facendo ricerca da una prospettiva fondamentale. La conoscenza che genero sulle interazioni tra minerali e contaminanti è importante anche per capire come si comportano i contaminanti nell'ambiente, ad esempio come i metalli tossici si muovono attraverso le acque sotterranee e sono intrappolati nel suolo e nei sedimenti".

Nonostante le sfide, aggiunge che è sempre importante tenere in considerazione le applicazioni del mondo reale che questo lavoro avrà.

"Ero lì il primo giorno che l'acqua è stata distribuita ai bambini della scuola in India, " dice. "I ragazzi hanno tutti delle carte con chip elettronici che mettono contro un piccolo pannello in un chiosco di distribuzione, che poi pompa fuori un litro di acqua filtrata. È stato così gratificante vedere l'eccitazione sui loro volti quando hanno visto uscire l'acqua".