Έλεγχος οριακών στρωμάτων σχετικά με την αντιδραστικότητα ορυκτών σε εδάφη και πετρώματα
Ξεκινά όταν η βροχή φτάνει στο έδαφος και διεισδύει στο έδαφος, διεισδύοντας στα πρώτα στρώματα του φλοιού της Γης όπου κυκλοφορούν τα υπόγεια ύδατα. Αυτό το νερό αντιδρά με τα πετρώματα, διαλύοντας ορισμένα μέταλλα και αναπτύσσοντας άλλα.
Παρουσία διαλυμένου διοξειδίου του άνθρακα, τα νεοσχηματισμένα ορυκτά περιλαμβάνουν διάφορα ανθρακικά ορυκτά όπως ο ασβεστίτης, ο μαγνησίτης ή ο σιδερίτης, τα οποία σχηματίζονται δεσμεύοντας μια διαλυμένη ανθρακική ομάδα CO3 με ασβέστιο, μαγνήσιο ή σίδηρο, αντίστοιχα. Αυτά τα ορυκτά είναι ευρέως διαδεδομένα στα πρώτα χιλιόμετρα του φλοιού της Γης και μπορεί να αντιδράσουν με διάφορα άλλα στοιχεία, συμπεριλαμβανομένων των επικίνδυνων ειδών όπως το αρσενικό, το φωσφορικό άλας, το σελήνιο ή το αντιμόνιο. Μπορούν να αποθηκεύσουν αυτά τα στοιχεία είτε ως προσαρτημένα στην ανθρακική επιφάνεια είτε ως άμεσα ενσωματωμένα στην κρυσταλλική δομή.
Οι αντιδράσεις ορυκτού-ρευστού συνήθως μοντελοποιούνται ότι συμβαίνουν στο χύμα ρευστό και ακολουθούν γεωχημικές θεωρίες ισορροπίας. Τέτοιες θεωρίες επιτρέπουν την προσέγγιση της μακροπρόθεσμης εξέλιξης πολύπλοκων συστημάτων υγρών-πετρωμάτων που περιλαμβάνουν διάφορα ορυκτά, διαλυμένα είδη και νερό. Ωστόσο, σε ατομική κλίμακα, η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη επειδή αρκετές τοπικές διεργασίες εκτός ισορροπίας ενδέχεται να ελέγχουν τον σχηματισμό νέων ορυκτών.
Έχουμε απεικονίσει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφόρων ανθρακικών ορυκτών είτε με καθαρό νερό είτε με νερό που περιείχε διαλυμένα αρνητικά φορτισμένα είδη (ανιόντα) όπως το αρσενικό, το φωσφορικό άλας, το σελήνιο και το αντιμόνιο. Χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της μικροσκοπίας ατομικής δύναμης επειδή επιτρέπει την απεικόνιση, σε συνάρτηση με το χρόνο, των διεργασιών διάλυσης και καθίζησης σε μια ορυκτή επιφάνεια με ανάλυση ύψους νανομέτρων και χωρική ανάλυση υπομικρομέτρου.
Στα πειράματά μας, ξεκινήσαμε με ένα δεδομένο ανθρακικό ορυκτό και αφήσαμε λίγο καθαρό νερό να κυλήσει πάνω από την επιφάνειά του, διαλύοντάς το. Η διάλυση συμβαίνει με τη συνεχή απομάκρυνση των ατομικών στρωμάτων από το ανθρακικό. Τα διαλυμένα είδη δημιουργούν ένα οριακό στρώμα πάχους από ένα μικρόμετρο έως ένα χιλιοστό, όπου το ρευστό είναι τοπικά πιο εμπλουτισμένο από το χύμα νερό σε είδη που προέρχονται από τη διάλυση του ανθρακικού. Τέτοια οριακά στρώματα λειτουργούν ως μικροχημικοί αντιδραστήρες όπου μπορούν να σχηματιστούν νέες στερεές φάσεις. ολόκληρη η διαδικασία ονομάζεται μηχανισμός διαλυτοποίησης-καθίζησης συζευγμένος με διασύνδεση (Εικόνα 1). Όταν κάποια τοξικά είδη υπάρχουν στο υγρό, μπορούν να ενσωματωθούν σε αυτές τις νέες στερεές φάσεις, παγιδεύοντάς τα πιο μόνιμα από ό,τι αν διατηρούνταν διαλυμένα στο υγρό και μεταφέρονταν μαζί του.
Έχουμε μελετήσει αρκετά ανθρακικά συστήματα. Όταν ο μαγνησίτης ή ο δολομίτης, ορυκτά που φέρουν μαγνήσιο, είναι η φάση διάλυσης, σχηματίζονται στην επιφάνεια νανοσωματίδια ένυδρων ορυκτών πλούσιων σε μαγνήσιο. Όταν ο ασβεστίτης, ένα ανθρακικό άλας που περιέχει ασβέστιο, είναι το διαλυτικό ορυκτό, και παρουσία αρσενικού, φωσφορικού, σεληνίου ή αντιμονίου διαλυμένου στο υγρό, νέα ορυκτά αναπτύσσονται στην επιφάνεια του ασβεστίτη με τη μορφή νανοσωματιδίων (Εικόνες 2, 3). . Όταν ο σιδερίτης, ένα ανθρακικό άλας που περιέχει σίδηρο, είναι το ορυκτό που διαλύεται, τα νέα ιζήματα είναι ορυκτά οξειδίου του σιδήρου που μπορούν επίσης να παγιδεύσουν ορισμένα τοξικά είδη που υπάρχουν στο υγρό. Αυτή η διαδικασία συζευγμένης διάλυσης-καθίζησης είναι επομένως ευρέως διαδεδομένη, αφορά τα περισσότερα κύρια ανθρακικά ορυκτά που υπάρχουν σε περιβάλλοντα της επιφάνειας της Γης και μπορεί να ακινητοποιήσει τους ρύπους σε στερεές φάσεις.
Έχουμε εντοπίσει τις παραμέτρους που ελέγχουν τον σχηματισμό νανοσωματιδίων. Για ένα ρευστό σε δεδομένη οξύτητα (pH), η διαλυτότητα του ανθρακικού ορυκτού και ο ρυθμός διάλυσής του ελέγχουν το πάχος του οριακού στρώματος και τις χρονικές κλίμακες σχηματισμού νανοσωματιδίων, εφόσον η καθίζηση των νανοσωματιδίων είναι ταχύτερη από την διάλυση του ανθρακικού. Το πάχος του οριακού στρώματος μπορεί να ποικίλλει από αρκετά μικρόμετρα έως αρκετά χιλιοστά. Οι χρονικές κλίμακες που είναι απαραίτητες για τον σχηματισμό των πρώτων νανοσωματιδίων είναι στην περιοχή από δευτερόλεπτα έως ώρες. Οι θεωρητικές μας εξελίξεις παρέχουν επομένως προβλέψεις για το πάχος του οριακού στρώματος και για τη χρονική κλίμακα σχηματισμού νανοσωματιδίων που θα μπορούσαν να δοκιμαστούν σε άλλα συστήματα υγρών ορυκτών.
Η εξέλιξη ενός οριακού στρώματος ορυκτού-ρευστού είναι μια δυναμική διαδικασία όπου οι συγκεντρώσεις των διαλυμένων ειδών θα ποικίλλουν ανάλογα με τους ρυθμούς διάλυσης και καθίζησης. Η συνδεδεμένη με τη διεπιφάνεια διαδικασία που συμβαίνει σε έναν μικροαντιδραστήρα, το οριακό στρώμα, ελέγχει πολλούς μετασχηματισμούς ανθρακικών ορυκτών σε ρηχά γήινα περιβάλλοντα. Μια σημαντική ιδιότητα αυτής της διαδικασίας είναι ότι συμβαίνει τοπικά, ακόμη και αν το υγρό είναι υποκορεσμένο σε σχέση με τα νέα ιζήματα σε μακροσκοπική κλίμακα. Αυτό το φαινόμενο έχει σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις για την παγίδευση ρύπων στις επιφάνειες ασβεστίτη, επειδή η κινητικότητα αυτών των ρύπων στα υπόγεια ύδατα που κυκλοφορούν μειώνεται. Μια τέτοια επίδραση έχει επιπτώσεις όχι μόνο στους παγκόσμιους γεωχημικούς κύκλους αυτών των στοιχείων, αλλά και στην αποκατάσταση μολυσμένων γεωχημικών συστημάτων, όπως η αποστράγγιση ορυχείων με οξύ και τα λύματα χωματερών αστικών απορριμμάτων.
Αναφορά:
- Renard, F., Røyne, A., Putnis, C. V. (2019) Χρονικές κλίμακες αντιδράσεων διάλυσης-καθίζησης συζευγμένων με τη διεπιφάνεια στα ανθρακικά, Geoscience Frontiers, 10, 17-27, https://linkinghub.elsevier.com/ retrieve/pii/S1674987118300768.
