Anastasia Ilgen, chercheuse au Sandia National Laboratories, mène des expériences dans une boîte à gants anaérobie. Crédit :Randy Montoya
Les chercheurs du Sandia National Laboratories ont découvert le mécanisme pour « allumer » le fer résidant dans les structures minérales argileuses, menant à la compréhension de la façon de rendre le fer réactif dans des conditions sans oxygène.
Cette recherche aidera les scientifiques à comprendre et à prédire comment les contaminants, comme l'arsenic, sélénium et chrome, se déplacer dans l'environnement et pénétrer dans les cours d'eau. Ces principes chimiques peuvent être appliqués pour développer des barrières naturelles de sol pour éliminer ces contaminants de l'eau et fabriquer des membranes réactives, qui peuvent transformer les contaminants pendant le processus de filtration de l'eau.
Le travail est présenté sur la couverture d'un récent numéro de Sciences de l'environnement :nano dans un article intitulé, "'Allumer' le fer dans les minéraux argileux, " par les chercheurs de Sandia Anastasia Ilgen, Kevin Leung et Rachel Washington et Ravi Kukkadapu du Pacific Northwest National Laboratory. Le travail a été financé par le programme des sciences fondamentales de l'énergie du ministère de l'Énergie.
Comprendre les réactions du fer
« En géosciences, nous avons reconnu depuis des décennies que comprendre comment le fer réagit est essentiel pour comprendre comment les contaminants se déplacent et se transforment dans l'environnement, ", a déclaré l'auteur principal Ilgen.
Le fer est un constituant clé de la croûte terrestre et le quatrième élément le plus courant. Les minéraux contenant du fer constituent une grande partie des sols et des roches sédimentaires. L'adsorption et les transformations chimiques sur les surfaces minérales contenant du fer définissent le devenir et le transport des produits chimiques dans l'environnement. Adsorption, qui est la fixation de contaminants sur les surfaces minérales, et les réactions chimiques sur ces surfaces minérales régissent la façon dont ces produits chimiques se déplacent dans l'environnement.
Ilgen explique que le fer dans les sols peut exister sous deux états d'oxydation :réduit et oxydé. C'est important, parce que le fer alterne constamment entre ces formes en réponse à de légers changements dans les conditions du sol.
"Les minéraux argileux sont extrêmement communs dans les sols et ils contiennent souvent du fer dans leurs structures, " dit-elle. " Les surfaces des minéraux argileux, qui ne contiennent que du fer oxydé, ne sont pas réactifs. Ils adsorbent l'arsenic, mais ne le transformez pas chimiquement. Cependant, ces mêmes surfaces deviennent réactives dès qu'une quantité mineure de fer réduit est introduite dans la structure du minéral argileux."
Jusqu'à maintenant, on ne savait pas comment et pourquoi les minéraux argileux contenant des traces de fer réduit réagissent en l'absence d'oxygène.
Ce graphique représente le système réactif décrit dans le document, montrant la structure de la nontronite minérale argileuse avec à la fois du fer oxydé (orange) et du fer réduit (vert vif) entouré d'ions d'eau et d'arsenic (violet). Crédit :Tuan Ho
"Nous avons découvert le mécanisme par lequel le fer oxydé dans les structures minérales argileuses réagit dans des conditions sans oxygène, et pourquoi des traces de fer réduit sont nécessaires pour que les réactions aient lieu, " a déclaré Ilgen.
L'équipe effectue le travail à l'aide de divers outils, méthodes
À l'aide d'outils expérimentaux, l'équipe a identifié les sites chimiques exacts dans les minéraux argileux qui ont réagi avec l'arsenic. L'équipe a montré que les atomes de fer situés aux bords des minéraux argileux étaient réactifs, et pour que les réactions aient lieu, ces sites doivent contenir à la fois du fer réduit et du fer oxydé.
L'équipe a utilisé des méthodes de calcul pour calculer l'énergie nécessaire à l'oxydation de l'arsenic, qui est adsorbé sur un site contenant exclusivement du fer oxydé versus un site contenant à la fois du fer oxydé et du fer réduit. Ces calculs ont montré que l'ajout thermodynamique d'un fer réduit à côté d'un fer oxydé ne rend pas l'oxydation de l'arsenic plus favorable.
Puis, la question devient pourquoi les sites sont-ils réactifs dans l'environnement ? Grâce à l'analyse spectroscopique, l'équipe a démontré que pour un contaminant, comme l'arsenic, s'oxyder à la surface d'un minéral argileux, il doit déplacer les molécules d'eau de la surface de ce minéral argileux. Le détachement d'une molécule d'eau est une étape chimique nécessaire à la fixation de l'arsenic, pouvoir l'oxyder sur la surface minérale argileuse.
Les calculs montrent que l'élimination de l'eau d'un site contenant à la fois du fer réduit et du fer oxydé utilise moins d'énergie par rapport à un site qui ne contient que du fer oxydé. Parce qu'il consomme moins d'énergie, il est plus facile de fixer d'abord puis d'oxyder l'arsenic sur ce type de site chimique sur la surface minérale argileuse et c'est pourquoi la réaction a lieu.
Comprendre ce mécanisme permet d'expliquer le devenir et le transport des nutriments et contaminants sensibles à l'oxydoréduction dans l'environnement, et pourquoi certains d'entre eux persistent sous des formes oxydées même en l'absence d'oxygène dissous.
Poursuite des recherches sur le fer dans différents minéraux naturels
Ilgen a déclaré que l'équipe poursuivra ses recherches sur les mécanismes chimiques qui régissent la réactivité du fer dans différents minéraux naturels et explorera les conditions requises pour que le fer soit réactif dans les sols et les roches sédimentaires.
L'équipe utilisera ces connaissances pour mieux comprendre le devenir dans l'environnement et le transport des contaminants et des nutriments, et éventuellement concevoir des barrières réactives pour empêcher les contaminants de pénétrer dans les cours d'eau.
