Усовершенствование старых методов очистки воды или создание новых — это проблема, которая десятилетиями бросает вызов ученым. Они со временем продвинулись вперед, этому способствует растущий спрос на фильтры для воды.
В то же время химические реакции, которые позволяют очистить воду, происходят в масштабах, невидимых невооруженным глазом (атомный масштаб). Они происходят не только в жидкостях, а и при взаимодействии жидкости с твердыми веществами.
Знание о том, как происходят эти химические реакции на поверхности льда и жидкой воды, имеет решающее значение в проблемах, представляющих большой интерес для Департамента энергетики (DOE).
Этот эксперимент важен и тем, что касается вопросов качества окружающей среды и качества воды, на которые могут влиять крупномасштабные мероприятия по производству энергии.
Теперь новая методика, разработанная командой, в том числе Делавэрским университетом Нилом Стурчио и коллегами из Национальной лаборатории Аргонна и Иллинойским университетом в Чикаго, позволила зафиксировать химические реакции, происходящие между жидкостями и твердыми веществами.
Этот метод обеспечивает возможность получения данных, которые могут быть использованы для улучшения прогнозирования того, как питательные вещества и загрязнения будут перемещаться в естественных системах. А также для оценки эффективности методов очистки воды, когда используется метод ионного обмена.
Это также может помочь ученым разобраться в ограничивающих факторах для суперконденсаторов — надежных устройствах аккумулирования энергии. Они часто используются в обычных аккумуляторах для питания бытовой электроники, гибридных автомобилей и даже оборудования большой мощности промышленного масштаба.
Энергетический обмен в химических реакциях
Стерчио — геохимик, изучал взаимодействие с минеральными / водными ресурсами в течение 25 лет при финансировании из Министерства энергетики США.
Недавно он и его сотрудники продемонстрировали новый способ изучения микроскопической структуры и процессов, которые происходят там, где встречаются минералы и вода, используя рентгеновские лучи.
Теперь, используя метод под названием резонансная аномальная рентгеновская рефлексивность (RAXR), исследователи могут пойти еще дальше и выделить идентичность изучаемого элемента.
«Благодаря методам изучения, которые мы использовали ранее, можно было видеть профиль электронной плотности атомного масштаба в межфазной области — зону нанометровой толщины, включающую минеральную поверхность и раствор, — но не могли однозначно идентифицировать атомные слои», — сказал Стурчио.
Техника требует высококачественного кристалла, поэтому исследователи выбрали слюду. Это минерал подобный по структуре к обильным глинистым минералам в почвах, который производит атомарно плоский кристалл, необходимый для лабораторных исследований межфазных свойств.
Исследователи отразили интенсивный рентгеновский луч от образца слюды в переменном контакте с двумя различными растворами соли, содержащими рубидий и хлорид натрия.
Изменяя угол луча, ученые смогли сканировать межфазный профиль в атомном масштабе. Изменяя энергию пучка под фиксированным углом, они могли изолировать распределение ионов рубидия в межфазной области.
«В этом случае мы можем узнать, где находится рубидий? Как он привязан к кристаллу слюды?» — говорят ученые.
Чем полезно исследование?
По мнению Стурчио, большинство химических реакций в грунтовых водах и в атмосфере, а также в промышленных процессах, включая очистку воды и некоторые формы хранения энергии, происходят на поверхностях, таких как электроды или частицы.
По мере того, как происходит химическая реакция, ионы запускаются или натягиваются, и энергия обменивается. Знания о том, как происходит обмен ионов в этом масштабе, можно использовать для разработки новых и улучшения старых методов очистки воды. А также для изучения процесса транспортировки загрязняющих веществ в почве и грунтовых водах.
В этом проекте исследователи хотели посмотреть, что потребуется для высвобождения с поверхности слюды рубидия.
Им удалось провести эксперимент, заменив раствор, пропускаемый сквозь кристаллы слюды из хлорида рубидия, на более концентрированный хлорид натрия. Затем ученые пронаблюдали реакцию, чтобы определить, сколько времени потребуется для того, чтобы ионы рубидия высвободились из слюды, а ионы хлорида натрия заняли их место.
Результаты эксперимента
Считается, что реакции адсорбции происходят в течение миллисекунд, но здесь потребовалось 25 секунд, чтобы рубидий высвободился с поверхности (десорбция), а ионов натрия заняли свое место (адсорбция).
Чем ближе рубидий к границе раздела минерал / вода, тем более фиксировано его положение, и тем больше энергии требуется для того, чтобы вырвать его из слюды.
И наоборот, чем больше молекул воды между поверхностью кристалла и ионом рубидия, тем больше пространства для рубидия находилось, и тем меньше энергии ему требовалось, чтобы оторваться от слюды.
Эксперты смогли оценить количества энергии, передаваемой при щелочном ионном обмене на этой границе, и участие молекул воды в механизме реакции.
Реакция была медленнее, чем предполагали исследователи, и хотя требуется дополнительное исследование, они соглашаются, что результаты дают возможность оценить количество времени, необходимое для возникновения желаемых реакций.
Напротив, когда растворы не использовались, рубидий, адсорбировался на поверхности воды намного быстрее, чем он десорбировался, это демонстрировало, что гидратация важна для реакции.
«Чтобы спланировать процесс в промышленных масштабах, вам нужно точно знать, что происходит на поверхности. Насколько нам известно, это первый случай, когда кто-то задокументировал такую подробную информацию о том, как эти реакции обмена ионов происходят на поверхности минералов, контактирующих с водой» — сказал Стурчио.
