Quando a água flui profundamente no subsolo, frequentemente dissolve substâncias inorgânicas de depósitos minerais na crosta terrestre. Em muitas regiões, esses depósitos contêm arsênico, um elemento que ocorre naturalmente e é incolor, insípido e inodoro. Embora sua presença seja quase imperceptível, a exposição prolongada a água contaminada com arsênico pode levar à gangrena, doenças e muitos tipos de câncer, resultando em grande perda de renda para milhões de pessoas e até mesmo em morte.

Como muitas regiões carecem de recursos e infraestrutura para tratar sua água por meios convencionais, eles não têm escolha a não ser continuar a se expor a esses riscos. A crise de contaminação generalizada por arsênio, particularmente no sul da Ásia rural, foi descrito como o maior envenenamento em massa da história humana.

"O arsênico que ocorre naturalmente nas águas subterrâneas é realmente mais comum do que você imagina, "diz Case van Genuchten, pesquisador do Departamento de Geoquímica do Serviço Geológico da Dinamarca e Groenlândia. “Muitas regiões têm tratamento de água centralizado, o que o torna muito fácil de remover. Mas em regiões que não têm abastecimento de água encanada e dependem de poços de água subterrânea, você tem que pensar um pouco mais sobre como implementar soluções sustentáveis ​​de tratamento de água. "

Inspirado por processos naturais no solo que ligam os contaminantes e os filtram, van Genuchten tem usado óxidos de ferro, como ferrugem, que são abundantes no solo, para filtrar o arsênico das águas subterrâneas. Ele lidera experimentos no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia que investigam métodos de baixo custo de tratamento de águas subterrâneas usando apenas pequenas quantidades de eletricidade e aço ou ferro. O artigo mais recente da equipe, que compara o desempenho de remoção de arsênio de diferentes formas de ferrugem foi publicado em Water Research .

As cores da ferrugem

A ferrugem se forma quando o ferro reage com o oxigênio e a umidade. Esta reação faz com que os átomos de ferro percam elétrons, aumentando o estado de oxidação do material. Diferentes estados de oxidação produzem cores diferentes, ou formulários, de ferrugem. Cada forma tem propriedades exclusivas e reage de maneira diferente com o arsênico.

A equipe usa raios-X do Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC para entender melhor como o arsênico se liga a diferentes partículas de ferrugem, uma interação que está sendo usada para remover o arsênio em processos reais de purificação em uma estação de tratamento de água localizada em uma escola em uma vila rural de Bengala Ocidental, Índia.

"O que fazemos é pegar pedaços de ferro, que são fáceis de encontrar, e inseri-los em águas subterrâneas bombeadas em um tanque conectado a uma fonte de alimentação, como uma bateria de carro, "diz van Genuchten." A corrente da bateria corrói o ferro e produz ferrugem. O arsênico se liga à superfície dessas partículas de ferrugem, que pode então ser filtrado pela gravidade, ou potencialmente, usando ímãs. Todo tipo de ferrugem, de preto para vermelho para verde, tem um arranjo atômico diferente. Ao mudar a forma como aplicamos corrente à água, podemos controlar a estrutura atômica da ferrugem e a reatividade para otimizar nosso sistema. "

Agulha num palheiro

Os pesquisadores descobriram que a magnetita, uma forma de ferrugem negra encontrada em muitos tipos diferentes de rochas, é o mais eficiente para este processo, funcionando bem mesmo em baixas concentrações.

No SSRL, a equipe usa raios-X para determinar a estrutura das partículas de magnetita e como o arsênio forma ligações químicas com o mineral. Ao iluminar os raios-X em amostras de ferrugem ligadas com arsênico, os pesquisadores podem tirar os elétrons das camadas mais internas dos átomos de arsênio, o que torna possível detectar átomos de arsênico mesmo em pequenas quantidades que são tão difíceis de encontrar quanto uma agulha em um palheiro. Esta técnica baseada em síncrotron, chamada espectroscopia de absorção de raios-X, usa raios-X com energias finamente controladas para obter informações sobre como o arsênio se liga ao ferro e é um dos únicos métodos capazes de produzir informações detalhadas sobre o comportamento de metais tóxicos traços.

Por meio desses experimentos, os pesquisadores descobriram que a magnetita tem uma estrutura única em comparação com outras formas de ferrugem que permite formar ligações mais fortes com o contaminante.

"A forma e o tamanho da molécula de arsênio se encaixam como uma peça de quebra-cabeça na estrutura da magnetita, "van Genuchten diz." Isso leva à incorporação de arsênio na partícula de magnetita, em vez de simplesmente se ligar à superfície do mineral. "

Impacto no mundo real

Através desta pesquisa, van Genuchten espera encontrar maneiras de produzir partículas de ferrugem com mais rapidez e controlar melhor como elas reagem com o arsênico, para que o sistema de tratamento de água possa ser otimizado a ponto de ser amplamente implementado. Ele diz que gosta de como o projeto permite que ele impulsione a pesquisa fundamental, mesmo quando ela está sendo conduzida por aplicações claras e necessidades urgentes.

“Comecei a pesquisar tratamento de água porque queria ter um impacto positivo no mundo, "ele diz." Às vezes fico frustrado quando as partes de tratamento de água da minha pesquisa não saem como planejado, mas ajuda lembrar que também estou pesquisando de uma perspectiva fundamental. O conhecimento que gero sobre as interações entre minerais e contaminantes também é importante para entender como os contaminantes se comportam no meio ambiente - por exemplo, como os metais tóxicos se movem através das águas subterrâneas e ficam presos no solo e nos sedimentos. "

Apesar dos desafios, ele acrescenta que é sempre importante ter em mente os aplicativos do mundo real que esse trabalho terá.

"Eu estava lá no primeiro dia em que a água foi distribuída para as crianças da escola na Índia, ", diz ele." Todas as crianças têm cartões com chips eletrônicos que colocam contra um pequeno painel em um quiosque de distribuição, que então bombeia um litro de água filtrada. Foi muito gratificante ver a emoção em seus rostos quando viram a água sair. "