Nu kan vi udvinde det kritiske råstof arsen fra giftigt affald fra grundvandsrensning

For at kunne opfinde og teste deres metode, måtte forskerne hente flere kilo slam hjem til laboratoriet. Forskerne modtog slam fra en række vandrensningsanlæg fra Danmark, Belgien og USA. Anlæggene anvender en række forskellige renseteknikker, men fælles for dem er, at de står tilbage med dette slam med en vis forekomst af arsen i.

”De forskellige forekomster af arsen og de forskellige renseteknikker betød, at slammet i vores forsøg var tilpas forskellig i struktur og sammensætning til, at vi kunne teste både om vores metode virker, og om den virker bedre i nogle tilfælde med nogle forhold end andre,” fortæller Case van Genuchten.

Det er vigtige indsigter, hvis metoden skal kunne rykke ud af laboratoriet og ind på vandrensningsanlæg rundt omkring i verden. Det gør det nemlig muligt at lave mere realistiske afvejninger af, med hvilke typer slam og allerede anvendte vandrensningsteknikker, det kan betale sig at koble metoden.

Metoden består af en indledende procedure og en kemisk proces i flere trin.

Først tørrer forskerne slammet ved stuetemperatur. Herefter sir de slammet, så de kan sortere større stykker materialer fra. Næste skridt er at måle sammensætningen af stoffer i det resterende nu tørre slam. Og så kan det spændende arbejde begynde.

Kaifeng Wang og Case van Genuchten anvender en kemisk proces i to trin: ekstraktion og raffinering.

Først løsner de arsen fra overfladerne af partiklerne i slammet ved at tilsætte en base, så arsen optræder på opløst form. På den måde kan man efterfølgende skille slam og arsen ad ved centrifugering og filtrering.

Derefter raffinerer de det opløste arsen. Det gør de, fordi man gerne vil have brudt de kemiske forbindelser arsen indgår i, så man kan stå tilbage med arsen i sin grundform, hvor atomet hverken har afgivet eller optaget elektroner; As(0), som er arsen i oxidationstrin 0. Det er altså rent arsen, der ikke er bundet som ion eller i en forbindelse med andre stoffer, som er målet.

Til dette formål har forskerne udviklet en proces til at danne As(0) på fast form ud fra det vandige As, der blev udvundet fra slammet – at gå fra AsO43- til As(0) på kemisk.

”Vi indgår nogle handler om elektronerne med AsO43- , og samtidig skal vi sikre, at vi får gjort As(0) stabilt, så det ikke smutter fra os i en ny forbindelse. Man kan sige, at vi har opfundet en procedure, der sikrer, at den kemiske forhandling ender med, at man står med As(0) til sidst,” opsummerer Case van Genuchten.

As(0) indgår ikke i forbindelser med andre stoffer, men arsen-atomerne kan godt være bundet til hinanden i en fast krystallinsk struktur. Man kan sige, at for neutralt arsen leger lige børn bedst – og gerne i regelmæssig orden på rad og række. Og her bliver det lidt ekstra spændende, for hvor atomerne i det kommercielle arsen, der er mest anvendt i f.eks. halvledere, netop indgår i nogle krystallinske strukturer, er det arsen, som Case van Genuchten og Kaifeng Wang har trukket ud af slammet, amorft, hvilket ikke helt er det samme.

For at vide, om det genindvundne arsen overhovedet kan sammenlignes med kommercielt arsen, og dermed have potentiale for at kunne anvendes på samme måde, måtte forskerne derfor sende deres udtræk på udflugt.

Det genindvundne arsen og kommercielt arsen blev undersøgt ved brug af synkrotroner, henholdsvis MAX IV i Lund, Sverige, og DESY i Hamborg, Tyskland. En synkrotron er som et supermikroskop, hvor man kan se atomers struktur. Derfor kunne forskerne med disse avancerede racerbaner for elektroner få snapshots af strukturerne i den ydre skal i atomerne i de to typer arsen og sammenholde dem.

”Vores sammenligninger af det kommercielle arsen og det genindvundne arsen viser, at vores genindvundne arsen er i fast tilstandsform, men det er amorft og ikke krystallinsk,” siger Case van Genuchten.

Amorft betyder, at stoffet er en lidt særlig art fast tilstandsform, hvor atomerne indgår i en uregelmæssig orden, men stadig har fast struktur i stedet for den regelmæssige orden, der ses ved krystallinsk fast stof, som kommercielt arsen er. Amorft er altså stadig i en tilstandsform vi genkender som fast, men når man kigger helt tæt på, kan man netop se, at det ikke har samme langtrækkende orden, som fast stof i krystallinsk struktur har.

Amorf er en fast tilstandsform, som vi kender fra glas og bolsjer. Der kan ikke være megen tvivl om, at et bolsje er fast, men alligevel virker det næsten ivrigt efter at smelte, selv under forhold, der ikke er ekstreme – som for eksempel i vores mund. Og måske har du oplevet, at vinduesglas i meget gamle bygninger kan være tykkere for neden end foroven. Hvis man zoomer helt ind på atomerne i glasset, ligger de ikke på rad og række i et gentagende gitter, og det er den uregelmæssighed, der gør det muligt, at vinduet ændrer form over tid. Lidt forsimplet kan man sige, at det er en fast form, der synes at virke til at være lidt mere omstillingsparat.

Der kan være fordele ved amorfe stoffer. For eksempel er det dejligt, at bolsjer kan blive flydende ved de ellers lave temperaturer i vores munde.

På samme vis kan det vise sig, at det amorfe arsen, som forskerne har trukket ud af slammet, kan have nogle fordele i brug i teknologi, fordi det kan være nemmere at tilpasse. Det er ved at blive undersøgt.

”Selv hvis det ikke er tilfældet, at det amorfe arsen er bedre i for eksempel halvledere, er det uproblematisk at omdanne det til arsen med mere krystallisk struktur, som vi kender fra kommercielt arsen,” fortæller Case van Genuchten, der dermed er helt rolig ved, at arsen udvundet med metoden stadig kan anvendes, selv hvis den amorfe tilstand viser sig ikke at have fordele, der gør den til en kandidat til at sende det mere traditionelle arsen ud på bænken.

Amorfe materialer er et aktivt forskningsområde, hvor der er meget ubetrådt grund.

For at forstå, hvorfor det lige er arsen, som van Genuchtens forskning er fokuseret på, skal vi lige træde et par skridt tilbage i kæden.

Arsen er nok bedst kendt i den brede befolkning for at være giftigt. Mange forbinder det måske med fortidige og fiktive mord på konger eller andre betydningsfulde personer. Men i virkeligheden skelner arsen ikke mellem mennesker, og ifølge Verdenshelbredsorganisationen WHO estimeres det, at op mod 200 millioner mennesker er i risiko for at indtage drikkevand med et niveau af arsen, der er over deres anbefalede grænseværdi på 10 mikrogram per liter vand. Det kan føre til blandt andet hudlæsioner, kræft og hæmme den kognitive udvikling hos fostre og børn. Problemet er særligt stort i landlige områder i Sydøstasiatiske lande som Bangladesh, Vietnam og Indien, og vandrensning i disse områder er ret begrænset.

Det er da også ønsket om at kunne gøre noget for at stoppe den masseforgiftning, der driver værket for Case van Genuchten. Han har blandt andet forsket i at udvikle og teste en metode til vandrensning i et område Indien, der har været plaget af de helbredsmæssige konsekvenser af høje forekomster af arsen i vandet.

”Det er frygteligt at se mennesker med læsioner på hænderne og høre om, at folk dør af dette, når man ved, at det kan forhindres, hvis man får renset nok arsen ud af deres drikkevand,” fortæller Case van Genuchten.

At Case van Genuchten og hans kollegaer nu også har formået at opfinde en metode til at trække det frygtede men også eftertragtede arsen ud af slammet, kan være et vigtigt skridt på vejen til at sikre udbredelsen af øget vandrensning.

”Hvis man kan gøre dette ellers giftige slam til noget værdifuldt, som kan sælges, så åbner det nogle døre for en tilførsel af midler til disse områder. De midler kan for eksempel bidrage til at sikre, at vandrensning sker systematisk i større skala,” fortæller Case van Genuchten.

Case van Genuchten i et laboratorium i Indien. (Foto: Sebastian Krogh)