Wie gut giftige Elemente aus der Kohleasche ausgewaschen werden, hängt von der nanoskaligen Zusammensetzung der Asche ab, wie eine Studie zeigt

Jeder weiß, dass die Verbrennung von Kohle eine klima- und gesundheitsschädliche Luftverschmutzung verursacht. Aber die übrig gebliebene Asche kann oft auch schädlich sein.

Beispielsweise lagerte Duke Energy lange Zeit eine verflüssigte Form von Kohleasche in 36 großen Teichen in den Carolinas. Das änderte sich 2014, als bei einem Unfall am Standort Dan River 27 Millionen Gallonen Ascheteichwasser in die örtliche Umwelt gelangten. Der Vorfall löste Bedenken hinsichtlich der Gefahren aus, die bereits mit Spurenmengen giftiger Elemente wie Arsen und Selen in der Asche verbunden sind. Es war jedoch wenig darüber bekannt, wie viele dieser gefährlichen Stoffe im Aschewasser vorhanden waren und wie leicht sie die Umgebung kontaminieren könnten.

Die Angst vor künftigen Austritten und Versickerungen veranlasste Duke Energy zu einer Zahlung von 1,1 Milliarden US-Dollar für die Stilllegung der meisten seiner Kohleaschebecken in den kommenden Jahren. In der Zwischenzeit arbeiten Forscher an besseren Möglichkeiten, die Asche zu nutzen, etwa indem sie recycelt wird, um wertvolle Seltenerdelemente zurückzugewinnen, oder sie in Baumaterialien wie Beton eingearbeitet werden. Doch um eine mögliche Lösung in die Tat umzusetzen, müssen Forscher noch wissen, welche Kohlenaschequellen aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung ein gefährliches Risiko darstellen – eine Frage, die Wissenschaftler immer noch nicht beantworten können.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Umweltwissenschaften: NanoForscher der Duke University haben herausgefunden, dass diese Antworten möglicherweise schwer zu finden sind, weil niemand klein genug denkt. Anhand einer der neuesten und fortschrittlichsten Synchrotronlichtquellen der Welt – der National Synchrotron Light Source II am Brookhaven National Laboratory – zeigen die Autoren, dass zumindest für Selen und Arsen die Menge an toxischen Elementen, die aus der Kohleasche entweichen können, davon abhängt weitgehend auf ihren nanoskaligen Strukturen.

„Diese Ergebnisse zeigen, wie komplex Kohlenasche als Material ist“, sagte Helen Hsu-Kim, Professorin für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Duke University. „Wir haben zum Beispiel gesehen, dass Arsen und Selen entweder an der Oberfläche feiner Kornpartikel anhaften oder darin eingekapselt sind, was erklärt, warum diese Elemente aus einigen Kohleaschequellen leichter herausgelöst werden als aus anderen.“

Es ist seit langem bekannt, dass Faktoren in der Umgebung wie der pH-Wert beeinflussen, wie gut toxische Elemente von der Quelle in die Umgebung gelangen können. In früheren Untersuchungen zeigte Hsu-Kim, dass die Menge an Sauerstoff in der Umgebung eines Toxins seine Chemie stark beeinflussen kann und dass verschiedene Quellen von Kohleasche sehr unterschiedliche Mengen an Nebenprodukten produzieren.

Aber nur weil eine Kohlenaschequelle einen hohen Arsengehalt aufweist, heißt das nicht zwangsläufig, dass daraus große Mengen Arsen ausgelaugt werden. Ebenso reagieren verschiedene Aschequellen unterschiedlich auf die gleichen Umweltbedingungen. Das Problem ist gelinde gesagt komplex. Um einen anderen Ansatz zu verfolgen, beschloss Hsu-Kim, die Quelle selbst noch genauer unter die Lupe zu nehmen.

„Forscher auf diesem Gebiet verwenden typischerweise Röntgenmikroskopie mit einer Auflösung von einem oder zwei Mikrometern, was ungefähr der Größe der Flugaschepartikel selbst entspricht“, sagte Hsu-Kim. „Wenn also ein einzelnes Partikel ein einzelner Pixel ist, sieht man nicht, wie die Elemente darüber verteilt sind.“

Um die Pixel dieser Bilder auf den Nanomaßstab zu verkleinern, wandte sich Hsu-Kim an Catherine Peters, Professorin für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Princeton University, und ihre Kollegen, um Zeit an der National Synchrotron Light Source II zu gewinnen. Die futuristische Maschine erzeugt Lichtstrahlen, die 10 Milliarden Mal heller als die Sonne sind, um die chemische und atomare Struktur von Materialien mithilfe von Lichtstrahlen von Infrarot bis hin zu harten Röntgenstrahlen aufzudecken.

Dank der Fähigkeiten von Brookhaven konnten die Forscher eine nanoskalige Karte jedes Partikels zusammen mit der Verteilung der Elemente in jedem Partikel liefern. Die unglaubliche Auflösung zeigte, dass Kohlenasche eine Ansammlung von Partikeln aller Art und Größe ist.

Beispielsweise sahen die Forscher in einer Probe einzelne Nanopartikel aus Selen, die an größere Partikel aus Kohleasche gebunden waren, einer chemischen Form von Selen, die wahrscheinlich nicht sehr gut in Wasser löslich ist. Der Großteil der Asche enthielt jedoch Arsen und Selen, die entweder in einzelnen Körnern eingeschlossen waren oder mit relativ schwachen Ionenbindungen an der Oberfläche befestigt waren, die leicht aufgebrochen werden konnten.

„Es war fast so, als ob wir in jeder Probe, die wir betrachteten, etwas anderes sahen“, sagte Hsu-Kim. „Die große Bandbreite an Unterschieden verdeutlicht wirklich, warum das Hauptmerkmal, das uns am Herzen liegt – wie viel dieser Elemente aus der Asche ausgelaugt werden – zwischen den verschiedenen Proben so stark variiert.“

Obwohl niemand mit Sicherheit sagen kann, wodurch die Kohlenasche ihre einzigartige Zusammensetzung entwickelt, vermutet Hsu-Kim, dass dies wahrscheinlich hauptsächlich damit zusammenhängt, wie die Kohle ursprünglich vor Millionen von Jahren entstanden ist. Es könnte aber auch etwas mit den Kraftwerken zu tun haben, die die Kohle verbrennen. Einige Anlagen injizieren Aktivkohle oder Kalk in das Rauchgas, wodurch Quecksilber- bzw. Schwefelemissionen aufgefangen werden. Bei 1000 Grad Fahrenheit sind Giftstoffe wie Arsen und Selen im Rauchgas gasförmig, und die Physik, die bestimmt, wie die Partikel abkühlen und sich wieder zu Asche verbinden, ist unkontrollierbar.

Aber unabhängig davon, wie dies geschieht, wissen Forscher jetzt, dass sie den feinen Details, die in den Endergebnissen enthalten sind, mehr Aufmerksamkeit schenken sollten.