Mercury Transport in a Soil-bentonite Backfill for Slurry Trench Cutoff Walls

Stel je de ondergrond van de aarde voor als een gigantische, onzichtbare spons. Soms raakt deze spons doordrenkt met slechte stoffen—chemicaliën, zware metalen of giftig afval—die we niet willen dat zich verspreiden in ons drinkwater of onze rivieren. Wetenschappers die dit bestuderen zijn als detectives die proberen uit te vogelen hoe ze een muur binnen die spons kunnen bouen om het gif tegen te houden. Een van hun favoriete instrumenten is een "cutoff wall" (een afsluitwand), wat in feite een diepe, verticale omheining is gemaakt van modder en zand die recht in de grond is gegraven. Het doel is simpel: de muur zo dicht en plakkerig maken dat het slechte spul eraan blijft plakken of niet door de minuscule gaatjes kan glippen. Maar hier komt het lastige deel bij: sommige gifstoffen, zoals kwik, zijn sluw. Ze kunnen van vorm veranderen, op vreemde manieren aan dingen blijven plakken of zelfs door bepaalde modder heen vreten. Dus de grote vraag voor ingenieurs is: als we een muur bouen van lokale aarde en klei, zal die dan werkelijk kwik tegenhouden, of zal het kwik er gewoon doorheen glippen als water door een zeef?

Dit artikel gaat over het testen van een specifiek recept voor die ondergrondse muur om te zien of het kwik kan vangen, de zware metaal die vaak door kleinschalige goudzoekers wordt gebruikt om goud van vuil te scheiden. De onderzoekers maakten zich zorgen omdat het kwik van deze mijnbouwlocaties giftig is en niet verdwijnt; het blijft gewoon rondhangen, wachtend om in ons water terecht te komen. Ze wilden weten of een mengsel van lokale zand en een speciaal type klei, genaamd bentoniet, als een superheldenbarrière kon fungeren. Ze hebben niet alleen gegokt; ze hebben in het lab kleine versies van die muren gebouwd en maandenlang kwikhoudend water doorheen gepompt om te zien wat er gebeurde.

Het verhaal begint met een probleem: in veel gebieden gebruiken goudzoekers kwik om goud te vinden, en het overgebleven modderige water (tailings) wordt vaak rechtstreeks in de grond of rivieren gedumpt. Dit kwik is een nachtmerrie omdat het een zwaar metaal is dat niet afbreekt. In plaats daarvan verandert het in verschillende vormen, waarvan sommige supertoxisch zijn en zich kunnen ophopen in vissen en mensen, wat ernstige hersen- en lichaamsbeschadiging kan veroorzaken. Om dit te stoppen, bouwen ingenieurs vaak "cutoff walls"—diepe geulen gevuld met een dik, stroperig mengsel van grond en bentonietklei. Denk aan bentoniet als een superabsorberende spons die opzwelt wanneer het nat wordt, waardoor alle kleine openingen in het zand worden opgevuld om een nauwe afsluiting te maken. Meestal zijn deze muren ontworpen om te voorkomen dat water erdoorheen lekt, maar de grote vraag hier was: kan deze muur ook kwik tegenhouden?

De onderzoekers in deze studie besloten een mengsel te testen gemaakt van materialen die direct in Colombia te vinden zijn. Ze namen lokaal zand en mengden dit met een lokaal type bentonietklei. Ze wisten dat deze lokale klei niet zo "super" was als de beroemde Wyoming-bentoniet uit de VS, dus moesten ze er meer van gebruiken—ongeveer 15,3% van het totale mengsel, wat veel meer is dan de gebruikelijke 5% of 6%. Ze zorgden ervoor dat dit mengsel dik genoeg was om de doorstroming van water gemakkelijk te stoppen, met als doel een snelheid waarbij het water een eeuwigheid zou doen over het passeren (minder dan 1×10⁻⁷ cm/s). Zodra hun "modderwand" klaar was, begonnen de echte tests.

Ze zetten een flexibele buis op, gevuld met hun zand-bentonietmengsel, en begonnen water met kwik erdoorheen te pompen. Ze voerden twee verschillende tests uit. In de eerste test gebruikten ze water met een lage hoeveelheid kwik (27 delen per miljard) en lieten dit ongeveer vier maanden lang stromen. In de tweede test verhoogden ze de druk en gebruikten ze water met een hogere kwikconcentratie (300 delen per miljard) om te zien of de muur de druk aan kon. Ze hielden het water aan de andere kant in de gaten om te zien hoeveel kwik er doorheen kwam.

De resultaten waren behoorlijk opwindend. De muur deed zijn werk perfect wat betreft water; hij bleef dicht en lekte niet. Maar het deel over kwik was nog interessanter. Toen ze het water aan de andere kant controleerden, was er bijna geen kwik doorheen gekomen. In de eerste test ving de muur ongeveer 94,6% van het kwik op, en in de tweede 97,6%. Dat betekent dat als je een emmer met kwikwater zou hebben, de muur bijna al het kwik zou vasthouden en slechts een klein druppeltje zou laten ontsnappen.

Hier is het coole deel: de onderzoekers ontdekten hoe de muur het kwik ving. Ze verwachtten dat het kwik langzaam door de muur zou stromen (zoals water in een pijp) of zich willekeurig zou verspreiden (zoals inkt in water). Maar de gegevens lieten zien dat geen van beide de belangrijkste reden was waarom het kwik werd gestopt. In plaats daarvan leek het kwik aan de kleideeltjes te "plakken", zoals klittenband. De wetenschappers noemen dit "sorptie". Het is alsof de klei een magnetische aantrekkingskracht heeft voor het kwik, het grijpt en houdt het stevig vast zodat het niet kan bewegen. Zelfs nadat het water doorheen was gestroomd, bleef het kwik achter, gevangen in de modder.

Ze keken ook naar de muur na de test om te zien of het kwik de klei had beschadigd of de structuur had veranderd. Ze gebruikten krachtige microscopen en chemische scanners om in het mengsel te kijken. Ze ontdekten dat de klei aan het begin een beetje veranderde—sommige zouten losten op omdat het water een beetje alkalisch was—maar het stabiliseerde snel. De muur vertoonde geen scheuren, brokkelde niet af of viel niet uit elkaar. Sterker nog, het kwik leek te binden met de chemische structuur van de klei (specifiek de silicium-zuurstofverbindingen), wat verklaart waarom het zo goed bleef plakken.

Eén ding waar het artikel heel duidelijk over is, is wat er niet gebeurde. Het kwik stroomde niet zomaar door de muur, en het verspreidde zich ook niet langzaam als een gas. De belangrijkste reden dat het stopte, was dat de klei het greep. Ook de muur brak niet af of verloor niet zijn vermogen om water tegen te houden, zelfs niet na maandenlang in kwik te zijn geweekt.

De auteurs zijn echter voorzichtig om niet te zeggen dat dit een magische wondermiddel is. Ze wijzen erop dat hoewel de muur geweldig is in het vasthouden van het kwik, het het kwik niet verwijdert uit de aarde. Het is meer een containmentzone, een gevangenis voor het gif. Ze merken ook op dat dit in een lab is getest met schoon water en specifieke hoeveelheden kwik. In de echte wereld kan het water andere chemicaliën bevatten die de bekwaamheid van de muur om het kwik te vangen kunnen verstoren. Dus hoewel de resultaten suggereren dat dit lokale zand- en kleimengsel een zeer veelbelovend materiaal is voor het bouwen van barrières rond mijnsites, is het nog geen voltooide oplossing. Er is meer testen nodig om te zien hoe het omgaat met de rommelige, complexe realiteit van daadwerkelijk mijnafval.

Uiteindelijk laat dit onderzoek zien dat je niet altijd dure, geïmporteerde materialen nodig hebt om vervuiling te bestrijden. Door lokaal zand en een beetje extra lokale klei te gebruiken, kun je een muur bouwen die werkt als een kleverige val voor kwik, waardoor het voorkomt dat het ons water vergiftigt. Het is een hoopvolle bevinding voor plaatsen waar goudwinning een toxische erfenis heeft achtergelaten, die een manier biedt om een hek rond het probleem te bouwen en te voorkomen dat het zich verspreidt.