W swoich tekstach staram się korzystać z publikacji naukowych, czasem jednak niektóre publikacji zasługują na osobny tekst. Dziś chciałbym Wam przedstawić doniesienia z publikacji jednostki szwajcarskiej Eawag, której odbywam staż. Przy okazji rozpoczynam cykl „Wiadomości ze świata nauki”, w którym będziemy przedstawiać wyniki badań związanych z zasobami wody.

Metale ziem rzadkich, takie jak cer i gadolin, w coraz większym stopniu trafiają do ścieków z przemysłu, ale także ze szpitali, co potwierdziły badania Eawag zrealizowane na 63 oczyszczalniach ścieków w Szwajcarii.

Obecnie prawie nic nie działa bez metali ziem rzadkich. Nie byłoby smartfonów, płaskich ekranów, lampek LED, akumulatorów, silników elektrycznych i wielu innych urządzeń elektronicznych. W branży zaawansowanych technologii, na przykład w motoryzacji, elektronice, energetyce czy medycynie, nie sposób wyobrazić sobie życia bez tych cennych surowców. Dlatego coraz bardziej interesujące jest ustalenie, gdzie te metale ziem rzadkich znikają po użyciu.

W imieniu Federalnego Urzędu Środowiska FOEN, wodny instytut badawczy Eawag po raz pierwszy przyjrzał się pierwiastkom ziem rzadkich w ściekach szwajcarskich. Zespół naukowców z dwóch wydziałów Inżynierii Procesowej oraz Zasobów Wodnych i Wody Pitnej zbadał osady ściekowe z 63 szwajcarskich oczyszczalni ścieków (WWTP).

Wyzwanie: rozróżnienie źródeł naturalnych i ludzkich

Najpierw zespół badawczy oszacował, jaka część metali ziem rzadkich pochodzi ze źródeł naturalnych. Tylko w ten sposób można ocenić, jaką proporcję dodają ludzie. W tym celu naukowcy przeanalizowali próbki gleby ze Szwajcarii, biorąc pod uwagę wartości dla australijskich łupków, które odzwierciedlają średni skład pierwiastków ziem rzadkich w skorupie ziemskiej. W ten sposób oszacowali naturalny średni skład tych pierwiastków w Szwajcarii – pomiar tła. Ponadto zespół badawczy opracował dwie nowe metody obliczenia ile tych pierwiastków pochodzi ze źródeł przemysłowych na podstawie stężeń zmierzonych w ściekach i w próbce naturalnej.

Wyniki:

W osadzie ściekowym większości oczyszczalni ścieków stężenia pierwiastków ziem rzadkich odpowiadają naturalnemu pomiarowi tła. Jednak w kilku oczyszczalniach ścieków stężenia poszczególnych metali ziem rzadkich były znacznie wyższe. Zespół badawczy doszedł do wniosku, że metale ziem rzadkich nie są wykorzystywane na dużą skalę, ale pochodzą z wysoce wyspecjalizowanych zastosowań w przemyśle.

Najwyższe stężenia stwierdzono dla ceru. Cer jest często używany jako materiał ścierny w przemyśle. Szacunki dla Szwajcarii wskazują, że ponad 4000 kilogramów ceru trafia każdego roku do oczyszczalni ścieków, z czego około połowa pochodzi z zastosowań przemysłowych. Bardzo duża ich część pozostaje w osadzie ściekowym, około 95 procent. Reszta trafia do środowiska. Dlatego naukowcy zakładają, że w najbliższej przyszłości podwyższone stężenia ceru będą występować również w jeziorach, rzekach i wodach gruntowych.

Rysunek 1. Pierwiastki ziem rzadkich, takie jak cer (Ce) i gadolin (Gd), występują naturalnie, ale są również coraz częściej wykorzystywane w przemyśle i szpitalach.  Pierwiastki ziem rzadkich dostają się do oczyszczalni ścieków (WWTP) przez ścieki.  Duża część ceru jest oddzielana w osadzie ściekowym (sewage sludge).  Jednak gadolin  w większości trafia do środowiska wraz z oczyszczonymi ściekami.  (Grafika; Ralf Kägi, Eawag)

Podejrzewa się, że źródłem są medyczne środki kontrastowe

Gadolin to szczególny przypadek. Podwyższone stężenia wykryto już w zbiornikach wodnych w Europie 20 lat temu. Jako źródło przyjęto ścieki ze szpitali. W bieżącym badaniu Eawag naukowcy odkryli, że w przypadku oczyszczalni ścieków Ramsen w pobliżu Jeziora Bodeńskiego na granicy niemiecko-szwajcarskiej, około 80 procent całkowitej zawartości gadolinu pochodzi ze źródeł przemysłowych. Do oczyszczalni tej trafiają ścieki z miasta Singen w Niemczech, gdzie znajduje się ośrodek onkologiczny z urządzeniami do rezonansu magnetycznego. W regionie jest również wiele firm z przemysłu produkującego duże ilości środków kontrastowych na bazie gadolinu. Odkrycia potwierdzają zatem wcześniejsze przypuszczenie, że gadolin znajdujący się w osadzie ściekowym można przypisać produkcji i stosowaniu środków kontrastowych, wykorzystywanych w tomografii komputerowej, rezonansu magnetycznego czy koronografii.

W badaniach zaobserwowano jeszcze podwyższone stężenia lantantu w osadach ściekowych wszystkich badanych oczyszczalni.  Jedną z możliwych przyczyn mogą być procesy biologiczne, które zmieniają retencję lantanu w osadzie ściekowym. Innym wytłumaczeniem może być stosowanie w rolnictwie nawozów wzbogaconych lantanem. Jednak zakres, w jakim procesy biologiczne lub nawozy są odpowiedzialne za podwyższone wartości, wymagają przeprowadzenia dalszych badań.

Finansowanie

Badanie zostało zlecone i sfinansowane przez Federalny Urząd ds. Środowiska FOEN.

Na podstawie publikacji

Ralf Kaegi, Alexander Gogos, Andreas Voegelin, Stephan J. Hug, Lenny H.E. Winkel, Andreas M. Buser, Michael Berg: Quantification of individual Rare Earth Elements from industrial sources in sewage sludge. Water Research X. https://doi.org/10.1016/j.wroa.2021.100092

Kontakt do autorów publikacji poprzez stronę jednostki naukowej EAWAG

https://www.eawag.ch/en/news-agenda/news-portal/news-detail/rare-earth-elements-in-wastewater/

Dziękuję wszystkim, którzy wspierają moją pracę, a szczególnie Patronom, którzy poprzez darowizny wspierają dalszy rozwój mojej wodnej pasji. Możesz do nich dołączyć zostając moim Patronem lub Mecenasem
tutaj więcej informacji

Możesz też zarejestrować się poprzez poniższy formularz, aby otrzymywać powiadomienia o nowych artykułach. Nie ujawnię nikomu Twojego adresu!