Les problèmes avec les cendres de charbon commencent plus petits que quiconque ne le pensait

Apr 25, 2023

DURHAM, NC - Tout le monde sait que la combustion du charbon provoque une pollution de l'air qui est nocive pour le climat et la santé humaine. Mais les cendres restantes peuvent souvent être également nocives.

Par exemple, Duke Energy a longtemps stocké une forme liquéfiée de cendres de charbon dans 36 grands bassins à travers les Carolines. Tout a changé en 2014, lorsqu'un déversement sur son site de Dan River a rejeté 27 millions de gallons d'eau de bassin de cendres dans l'environnement local. L'incident a soulevé des inquiétudes quant aux dangers associés à des quantités même infimes d'éléments toxiques comme l'arsenic et le sélénium dans les cendres. Cependant, on savait peu de choses sur la quantité de ces matières dangereuses présentes dans l'eau de cendre ou sur la facilité avec laquelle elles pouvaient contaminer l'environnement environnant.

Les craintes de futurs déversements et infiltrations ont poussé Duke Energy à accepter de payer 1,1 milliard de dollars pour mettre hors service la plupart de ses bassins de cendres de charbon au cours des années à venir. Pendant ce temps, les chercheurs travaillent sur de meilleures façons d'utiliser les cendres, comme les recycler pour récupérer des éléments de terres rares précieux ou les incorporer dans des matériaux de construction comme le béton. Mais pour mettre en œuvre toute solution potentielle, les chercheurs doivent encore savoir quelles sources de cendres de charbon présentent un risque dangereux en raison de sa composition chimique, une question à laquelle les scientifiques ont encore du mal à répondre.

Dans un nouvel article publié dans la revue Environmental Science: Nano, des chercheurs de l'Université Duke ont découvert que ces réponses peuvent rester insaisissables car personne ne pense assez petit. En utilisant l'une des sources de lumière synchrotron les plus récentes et les plus avancées au monde - la source de lumière synchrotron nationale II du laboratoire national de Brookhaven - les auteurs montrent que, au moins pour le sélénium et l'arsenic, la quantité d'éléments toxiques capables de s'échapper des cendres de charbon dépend en grande partie sur leurs structures à l'échelle nanométrique.

"Ces résultats montrent à quel point la cendre de charbon est complexe en tant que matériau", a déclaré Helen Hsu-Kim, professeur de génie civil et environnemental à l'Université Duke. "Par exemple, nous avons vu de l'arsenic et du sélénium soit attachés à la surface de particules à grains fins, soit encapsulés à l'intérieur de celles-ci, ce qui explique pourquoi ces éléments s'échappent de certaines sources de cendres de charbon plus facilement que d'autres."

On sait depuis longtemps que les facteurs de l'environnement, tels que le pH, affectent la capacité des éléments toxiques à se déplacer de la source vers l'environnement. Dans des recherches antérieures, Hsu-Kim a montré que la quantité d'oxygène dans l'environnement d'une toxine peut grandement affecter sa chimie et que différentes sources de cendres de charbon produisent des niveaux de sous-produits très différents.

Mais ce n'est pas parce qu'une source de cendres de charbon est riche en arsenic que cela signifie nécessairement que de grandes quantités d'arsenic en sortiront. De même, diverses sources de cendres réagissent différemment aux mêmes conditions environnementales. Le problème est complexe, c'est le moins qu'on puisse dire. Pour adopter une approche différente, Hsu-Kim a décidé d'examiner de plus près la source elle-même.

"Les chercheurs sur le terrain utilisent généralement la microscopie à rayons X avec une résolution d'un ou deux micromètres, ce qui correspond à peu près à la même taille que les particules de cendres volantes elles-mêmes", a déclaré Hsu-Kim. "Donc, si une seule particule est un seul pixel, vous ne voyez pas comment les éléments sont répartis à travers elle."

Pour réduire les pixels de ces images à l'échelle nanométrique, Hsu-Kim s'est tournée vers Catherine Peters, professeur de génie civil et environnemental à l'Université de Princeton, et ses collègues pour acquérir du temps sur la National Synchrotron Light Source II. La machine futuriste crée des faisceaux lumineux 10 milliards de fois plus brillants que le soleil pour révéler la structure chimique et atomique des matériaux à l'aide de faisceaux lumineux allant de l'infrarouge aux rayons X durs.

Les capacités de Brookhaven ont pu fournir aux chercheurs une carte à l'échelle nanométrique de chaque particule ainsi que la distribution des éléments dans chaque particule. L'incroyable résolution a révélé que la cendre de charbon est une compilation de particules de toutes sortes et de toutes tailles.

Par exemple, dans un échantillon, les chercheurs ont vu des nanoparticules individuelles de sélénium qui étaient attachées à de plus grosses particules de cendre de charbon, qui est une forme chimique de sélénium qui n'est probablement pas très soluble dans l'eau. Mais la plupart des cendres contenaient de l'arsenic et du sélénium soit enfermés à l'intérieur de grains individuels, soit attachés à la surface avec des liaisons ioniques relativement faibles qui se brisent facilement.

"C'était presque comme si nous voyions quelque chose de différent dans chaque échantillon que nous avons examiné", a déclaré Hsu-Kim. "Le large éventail de différences met vraiment en évidence la raison pour laquelle la principale caractéristique qui nous intéresse - la quantité de ces éléments qui s'échappent des cendres - varie tellement entre les différents échantillons."

Bien que personne ne puisse dire avec certitude ce qui fait que la cendre de charbon développe sa composition unique, Hsu-Kim suppose que cela est probablement principalement lié à la façon dont le charbon s'est formé à l'origine il y a des millions d'années. Mais cela pourrait aussi avoir quelque chose à voir avec les centrales électriques qui brûlent le charbon. Certaines usines injectent du charbon actif ou de la chaux dans les gaz de combustion, qui captent respectivement les émissions de mercure et de soufre. À 1 000 degrés Fahrenheit, les toxines telles que l'arsenic et le sélénium dans la cheminée sont gazeuses, et la physique qui dicte comment les particules vont se refroidir et se recombiner pour former des cendres est incontrôlable.

Mais quel que soit le comment, les chercheurs savent maintenant qu'ils doivent accorder une plus grande attention aux détails fins contenus dans les résultats finaux.

- Ce communiqué de presse a été initialement publié sur le site Web de Duke University