Los métodos para mejorar la purificación del agua o construir mejores baterías son problemas que han desafiado a los científicos durante décadas. Los avances han avanzado, pero la creciente demanda mueve la línea de meta cada vez más lejos.
Al mismo tiempo, las reacciones químicas que hacen posible estas mejoras ocurren a escalas invisibles a simple vista la escala atómica donde se unen líquidos y superficies sólidas, lo que hace que el trabajo sea aún más difícil.
Saber cómo ocurren estas interacciones químicas en la interfaz sólido-líquido es fundamental en problemas de gran interés para el Departamento de Energía DOE, particularmente en lo que se refiere a problemas ambientales y de calidad del agua que pueden verse afectados por la producción de energía a gran escalaocupaciones.
Ahora, una nueva técnica desarrollada por un equipo que incluye al profesor Neil Sturchio de la Universidad de Delaware y sus colegas del Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Illinois en Chicago ha producido observaciones en tiempo real que documentan las reacciones químicas que ocurren entre líquidos y sólidos.
La técnica proporciona datos que pueden usarse para mejorar las predicciones de cómo se moverán los nutrientes y contaminantes en los sistemas naturales o para medir la efectividad de los métodos de purificación de agua donde el intercambio iónico es crítico para la desinfección.
También puede ayudar a los científicos a descifrar los factores limitantes para los supercondensadores: dispositivos de almacenamiento de energía robustos que a menudo se utilizan sobre baterías comunes para alimentar productos electrónicos de consumo, vehículos híbridos, incluso energía a gran escala industrial
Intercambio de energía en reacciones químicas
Sturchio, un geoquímico, ha estudiado las interacciones mineral / agua durante 25 años con fondos del DOE. Él y sus colaboradores recientemente demostraron una nueva forma de estudiar la estructura microscópica y los procesos que ocurren donde se unen los minerales y el agua, utilizando rayos de rayos Xpara desencadenar las reacciones mientras captura imágenes de sus efectos en la superficie mineral.
Ahora, utilizando un método llamado reflectividad de rayos X anómalos resonantes RAXR, los investigadores pueden ir un paso más allá y distinguir la identidad del elemento que se estudia.
"Con nuestros métodos anteriores, pudimos ver el perfil de densidad electrónica de escala atómica de la región interfacial, una zona de espesor nanométrico que incluye la superficie mineral y la solución adyacente, pero no pudimos identificar de manera única las capas atómicas".dijo Sturchio, profesor y presidente del Departamento de Ciencias Geológicas en la Facultad de Tierra, Océano y Medio Ambiente de la UD.
La técnica requiere un cristal de alta calidad, por lo que los investigadores seleccionaron la mica, un mineral similar en estructura a los abundantes minerales arcillosos en los suelos que produce un cristal atómicamente plano útil en investigaciones de laboratorio de propiedades interfaciales.
Los investigadores reflejaron un intenso haz de rayos X de una muestra de mica en contacto alterno con dos soluciones salinas diferentes que contienen rubidio y cloruro de sodio. Al cambiar el ángulo del haz, los científicos pudieron escanear el perfil interfacial a escala atómica.cambiando la energía del haz en un ángulo fijo, podrían aislar la distribución de iones de rubidio en la región interfacial.
"En este caso, podemos sintonizar y preguntar específicamente dónde está el rubidio? ¿Cómo se adhiere al cristal de mica y cómo se libera a la solución?", Dijo.
Según Sturchio, la mayoría de las reacciones químicas en el agua subterránea y en la atmósfera, así como durante los procesos industriales, incluida la purificación del agua y algunas formas de almacenamiento de energía, ocurren en superficies como electrodos o partículas. A medida que ocurre una reacción química, los iones son pateadosse quita o se tira y se intercambia energía. Comprender cuantitativamente cómo se intercambian los iones a esta escala puede usarse para diseñar procesos químicos para mejorar la purificación del agua o comprender cómo se transportan los contaminantes en el suelo y el agua subterránea.
En este proyecto, los investigadores querían ver qué se necesitaría para liberar el rubidio, un metal alcalino, de la superficie de la mica una vez que se unió. Lo lograron cambiando rápidamente la solución que fluye sobre el cristal de mica del rubidiocloruro a un cloruro de sodio más concentrado, luego cronometró la reacción para determinar cuánto tiempo les tomó a los iones de rubidio liberarse desorbirse de la mica y a los iones de cloruro de sodio tomar su lugar adsorberse.
Generalmente, se cree que las reacciones de adsorción ocurren en milisegundos, pero aquí tomó 25 segundos para que el rubidio se liberara de la superficie desorción y los iones de sodio tomaran su lugar adsorción.
Cuanto más cerca estaba el rubidio de la interfaz mineral / agua, más fija se volvía su posición debido a la energía electrostática, del tipo que hace que un globo se pegue a la pared después de frotarlo contra un suéter y más energíase requería sacarlo de la mica. Por el contrario, cuantas más moléculas de agua entre la superficie del cristal y el ión de rubidio, más margen de maniobra tenía el rubidio en su posición y menos energía se necesitó para separarse. Los experimentos ayudaron a cuantificarcantidades mínimas de energía transferidas durante el intercambio de iones alcalinos en esta interfaz, y la participación de moléculas de agua en el mecanismo de reacción.
La reacción fue más lenta de lo que los investigadores anticiparon, y aunque se requieren más estudios, están de acuerdo en que los resultados proporcionan evidencia para comprender los plazos necesarios para que ocurran las reacciones deseadas.
Por el contrario, cuando las soluciones se volvieron a cambiar, el rubidio se adsorbió en la superficie de la mica mucho más rápidamente de lo que se desorbió, eliminando sus moléculas de agua unidas, lo que demuestra que la hidratación es importante para la reacción.
"Para diseñar un proceso industrial necesita saber exactamente qué está sucediendo en la superficie", dijo Sturchio. "Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que alguien documenta una información tan detallada sobre cómo están ocurriendo estas reacciones de intercambio iónico enuna superficie mineral en contacto con el agua, y en este caso, tenemos buena evidencia de cuánto tiempo lleva realmente ".
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Materiales proporcionados por Universidad de Delaware . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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