Synthetische chemicaliën zijn altijd aanwezig in het moderne leven - in onze medicijnen, cosmetica en kleding, maar wat gebeurt ermee als ze in onze gemeentelijke watervoorziening terechtkomen?

Omdat deze chemicaliën uit het zicht zijn, uit het hoofd, we nemen aan dat ze ons geen kwaad kunnen doen nadat we ze door de gootsteen hebben gespoeld. Echter, de meeste waterbehandelingsinfrastructuren zijn niet ontworpen om synthetische organische chemicaliën te verwijderen, zoals die in opioïden worden aangetroffen, persoonlijke verzorgingsproducten en geneesmiddelen.

Bijgevolg, sporenconcentraties van die chemicaliën zijn aanwezig in het afvalwater:het water dat van zuiveringsinstallaties in meren wordt geloosd, rivieren en beken. Hoewel gevonden in extreem kleine concentraties, alleen nanogrammen of microgrammen, de toxiciteit is niet goed begrepen in menselijke lichamen en ecosystemen.

Slechter, we weten nog minder over de effecten op de gezondheid van mensen en ecosystemen van bijproducten die ontstaan ​​tijdens geavanceerde oxidatiewaterbehandelingsprocessen; duizenden chemische bijproducten kunnen in slechts enkele minuten worden gecreëerd.

Daarom, het is van cruciaal belang dat wetenschappers en beheerders van zuiveringsinstallaties de mechanismen begrijpen waarmee chemische bijproducten tijdens het zuiveringsproces worden gecreëerd. Daisuke Minakata, assistent-professor civiele en milieutechniek aan de Michigan Technological University, met coauteurs Divya Kamath en Stephen Mezyk, getracht die mechanismen te begrijpen met behulp van aceton als een testcase.

De auteurs bouwden voort op een experimenteel onderzoek uit 1999 naar reactiepaden van aceton tijdens de behandeling, met behulp van kwantummechanische berekeningen om de chemische bijproducten te voorspellen die optreden als aceton degradeert tijdens het geavanceerde oxidatieproces.

Hun resultaten worden gepubliceerd in het artikel, "Opheldering van de elementaire reactiepaden en kinetiek van door hydroxylradicaal geïnduceerde afbraak van aceton in het geavanceerde oxidatieproces in waterige fase", in het journaal Milieuwetenschap en -technologie , gepubliceerd door de American Chemical Society.

Degradatie modelleren

Volgens chemische normen, aceton heeft een eenvoudige structuur. Dit maakt het ideaal voor het modelleren van reactieroutes - de talloze manieren waarop een chemische stof kan worden afgebroken tot vrije radicalen en bijproducten - om te voorspellen welke bijproducten en radicalen zich vormen.

"Als we water behandelen met geavanceerde chemische oxidatie, die oxidanten vernietigen organische doelverbindingen maar creëren bijproducten, " zegt Minakata. "Sommige bijproducten kunnen giftiger zijn dan hun moederverbinding. We moeten de fundamentele mechanismen begrijpen van hoe de bijproducten worden geproduceerd en dan kunnen we voorspellen wat er van veel andere chemicaliën zal worden geproduceerd. We hebben op basis van computerwerk meer dan 200 reacties gevonden die betrokken zijn bij de afbraak van aceton."

Het team van Minakata vergeleek de voorspellende resultaten van het model met de 10 bijproducten die werden waargenomen in de experimentele studie van 1999, en de resultaten van het model volgen nauwkeurig de waargenomen reactiepaden.

Geavanceerde oxidatie is een zeer effectieve en belangrijke manier om water en afvalwater te behandelen, dus het gebruik ervan mag niet worden gestaakt. Veel gemeenschappen in droge gebieden hebben bijna geen water meer en moeten gezuiverd afvalwater hergebruiken, een proces dat direct hergebruik van drinkwater wordt genoemd. Als synthetische organische chemicaliën en hun geoxideerde bijproducten niet uit het water worden verwijderd, mensen en dieren consumeren ze.

In het gebied van de Grote Meren, stroomopwaartse gemeenschappen lozen gezuiverd afvalwater in meren en rivieren. Mensen die stroomafwaarts wonen, gebruiken dat water; en bestaande, conventionele behandelingsprocessen verwijderen niet alle organische chemicaliën effectief. Geavanceerde oxidatie kan zich effectief richten op specifieke organische chemicaliën om ze uit het water te verwijderen. Het modelleren van reactiepaden is van cruciaal belang om waterbehandelingsmanagers te helpen begrijpen hoe ze het mes het beste kunnen hanteren, als het ware.

Een beperking van het werk is dat het model alleen van toepassing is op structureel eenvoudige organische verontreinigingen zoals aceton, in plaats van in grote lijnen meerdere chemische afbraakprocessen. Organische chemicaliën hebben buitengewoon complexe structuren, en we missen de rekencapaciteit om de reactiepaden te berekenen. Het team van Minakata gebruikte de Superior supercomputer van Michigan Tech. Superior puzzelde op de acetonpaden met honderden berekeningen, waarvan sommige meer dan weken kunnen duren.

Overal chemische reacties

Het begrijpen van de mechanismen van de vorming van chemische bijproducten is niet alleen belangrijk voor waterbehandeling; het bevordert ook wat we weten over chemische reacties in de atmosfeer en in ons lichaam.

"Binnen een waterdruppel in een wolk, dezelfde radicale reactie gaande is, " zegt Minakata. "In ons lichaam, reactieve zuurstofsoorten beschadigen menselijke cellen. Als je veel alcohol drinkt, of als je teveel zon hebt, je creëert vrije radicalen. Die vrije radicalen beschadigen je cellen en kunnen kankercellen aanmaken. Chemie waarbij vrije radicalen betrokken zijn, komt veel voor in verschillende disciplines. We gebruiken de chemie van vrije radicalen voor het vernietigen van giftige chemicaliën "