石炭灰の問題は誰もが考えていたよりも小さいことから始まる

May 14, 2023

ノースカロライナ州ダーラム — 石炭の燃焼が気候や人間の健康に有害な大気汚染を引き起こすことは誰もが知っています。 しかし、残った灰も有害であることがよくあります。

たとえば、デューク・エナジー社は、長い間、液化した石炭灰をカロライナ州全域の 36 の大きな池に保管していました。 2014 年、ダン川の現場での流出事故により、2,700 万ガロンの灰池の水が地元の環境に放出され、すべてが変わりました。 この事件は、灰中に含まれるヒ素やセレンなどの微量の有毒元素に関連する危険性についての懸念を引き起こしました。 しかし、これらの有害物質が灰水中にどれほどの量存在するのか、またそれらがどれほど容易に周囲の環境を汚染するのかについてはほとんど知られていなかった。

将来の流出や浸透への懸念から、デューク・エナジー社は今後数年間で石炭灰池のほとんどを廃止するために11億ドルを支払うことに同意した。 一方、研究者らは、貴重な希土類元素を回収するために灰をリサイクルしたり、コンクリートなどの建築材料に灰を組み込んだりするなど、灰を利用するより良い方法の開発に取り組んでいる。 しかし、潜在的な解決策を実行に移すためには、どの石炭灰の発生源がその化学組成により危険なリスクをもたらすのかを研究者が知る必要があり、この問題に科学者たちは未だに答えるのに苦労している。

新たに発表された論文でジャーナル『Environment Science: Nano』で、デューク大学の研究者らは、誰も十分に小さなことを考えていないため、これらの答えは依然としてとらえどころのない可能性があることを発見しました。 著者らは、世界で最も新しく、最も先進的なシンクロトロン光源の1つであるブルックヘブン国立研究所のナショナルシンクロトロン光源IIを使用して、少なくともセレンとヒ素については、石炭灰から漏れ出る有毒元素の量が依存することを示した。主にナノスケール構造に関するものです。

「これらの結果は、石炭灰が材料としていかに複雑であるかを示しています」とデューク大学の土木・環境工学教授ヘレン・スー・キムは述べた。 「例えば、ヒ素とセレンが微粒粒子の表面に付着しているか、粒子内にカプセル化されていることがわかりました。これが、これらの元素が一部の石炭灰源から他の元素よりも容易に浸出する理由を説明しています。」

pH などの周囲環境の要因が、有毒元素が発生源から周囲にどの程度うまく移動するかに影響を与えることは長い間知られていました。 以前の研究で、Hsu-Kim は、毒素の周囲の酸素の量がその化学的性質に大きな影響を与える可能性があり、石炭灰の供給源が異なれば生成される副産物のレベルも大きく異なることを示しました。

しかし、ある石炭灰源にヒ素が多く含まれているからといって、そこから大量のヒ素が浸出するとは限りません。 同様に、さまざまな灰源は、同じ環境条件に対してそれぞれ異なる反応を示します。 控えめに言っても、問題は複雑です。 別のアプローチをとるために、Hsu-Kim は情報源自体をさらに詳しく調べることにしました。

「この分野の研究者は通常、飛灰粒子自体とほぼ同じサイズである1～2マイクロメートルの解像度のX線顕微鏡を使用します」とHsu-Kim氏は述べた。 「したがって、単一の粒子が単一のピクセルである場合、要素がその全体にどのように分布しているかがわかりません。」

これらの写真のピクセルをナノスケールに縮小するために、Hsu-Kim 氏は、プリンストン大学の土木および環境工学の教授であるキャサリン・ピーターズ氏とその同僚に頼って、国立シンクロトロン光源 II の時間を確保しました。 この未来的な機械は、太陽の 100 億倍明るい光線を生成し、赤外線から硬 X 線までの範囲の光線を使用して物質の化学構造や原子構造を明らかにします。

Brookhaven の機能により、各粒子のナノスケール マップと各粒子内の元素の分布を研究者に提供することができました。 驚異的な解像度により、石炭灰があらゆる種類とサイズの粒子の集合体であることが明らかになりました。

たとえば、あるサンプルでは、​​研究者らはセレンの個々のナノ粒子が石炭灰のより大きな粒子に付着しているのを観察しました。石炭灰はセレンの化学形態であり、おそらく水にあまり溶けません。 しかし、ほとんどの灰にはヒ素とセレンが個々の粒子の内部に閉じ込められているか、簡単に壊れてしまう比較的弱いイオン結合で表面に付着していました。

「まるで、調べたサンプルごとに何か違うものを見ているかのようでした」とスー・キム氏は語った。 「さまざまな違いは、私たちが注目する主要な特性、つまり灰からどれだけの元素が浸出するかが、異なるサンプル間でなぜこれほど異なるのかを明確に示しています。」

石炭灰がその独特の組成を形成する原因を正確に言える人は誰もいませんが、スーキム氏は、おそらく石炭が数百万年前に最初にどのように形成されたかに関係しているのではないかと推測しています。 しかし、石炭を燃やす発電所にも関係があるかもしれない。 一部のプラントでは、排ガスに活性炭または石灰を注入し、それぞれ水銀と硫黄の排出を捕捉します。 華氏 1,000 度では、煙道内のヒ素やセレンなどの毒素は気体であり、粒子がどのように冷えて再結合して灰を形成するかを決定する物理学は制御できません。

しかし、その方法に関係なく、研究者は現在、最終結果に含まれる詳細にさらに注意を払う必要があることを認識しています。

- このプレスリリースはもともとデューク大学のウェブサイトに掲載されたものです