Opdel det:Forstå dannelsen af ​​kemiske biprodukter under vandbehandling

Syntetiske kemikalier er altid til stede i det moderne liv-i vores medicin, kosmetik og tøj - men hvad sker der med dem, når de kommer ind i vores kommunale vandforsyning?

Fordi disse kemikalier er ude af syne, ude af sind, vi går ud fra, at de ikke kan skade os, når vi har skyllet dem ned i vasken. Imidlertid, de fleste vandrensningsinfrastrukturer var ikke designet til at fjerne syntetiske organiske kemikalier som dem, der findes i opioider, produkter til personlig pleje og lægemidler.

Følgelig, sporkoncentrationer af disse kemikalier er til stede i spildevand:vandet, der udledes fra rensningsanlæg til søer, floder og vandløb. Selvom det findes i ekstremt små koncentrationer, bare nanogram eller mikrogram, toksiciteten er ikke godt forstået i menneskelige kroppe og økosystemer.

Værre, vi ved endnu mindre om virkningerne på menneskers og økosystemers sundhed af biprodukter, der er skabt under avancerede oxideringsbehandlingsprocesser; tusindvis af kemiske biprodukter kan skabes på få minutter.

Derfor, det er afgørende, at forskere og behandlingsanlægsledere forstår de mekanismer, hvormed kemiske biprodukter dannes under behandlingsprocessen. Daisuke Minakata, adjunkt i civil- og miljøteknik ved Michigan Technological University, med medforfattere Divya Kamath og Stephen Mezyk, søgte at forstå disse mekanismer ved hjælp af acetone som en test sag.

Forfatterne byggede på et eksperimentelt studie fra 1999 af acetone -reaktionsveje under behandling, ved hjælp af kvantemekaniske beregninger til at forudsige de kemiske biprodukter, der opstår, når acetone nedbrydes under den avancerede oxidationsproces.

Deres resultater er offentliggjort i artiklen, "Afklaring af elementære reaktionsveje og kinetik ved hydroxyl radikalinduceret acetonnedbrydning i vandig fase avanceret oxidationsproces", i journalen Miljøvidenskab og teknologi , udgivet af American Chemical Society.

Modellering Nedbrydning

Efter kemiske standarder, acetone har en ligetil struktur. Dette gør den ideel til modellering af reaktionsveje - de utallige måder et kemikalie kan nedbryde til frie radikaler og biprodukter - til at forudsige, hvilke biprodukter og radikaler der dannes.

"Når vi udfører vandbehandling ved hjælp af avanceret kemisk oxidation, disse oxidanter ødelægger målorganiske forbindelser, men skaber biprodukter, "Minakata siger." Nogle biprodukter kan være mere giftige end deres modersammensætning. Vi er nødt til at forstå de grundlæggende mekanismer for, hvordan biprodukterne produceres, og så kan vi forudsige, hvad der skal produceres fra mange andre kemikalier. Vi fandt mere end 200 reaktioner involveret i nedbrydning af acetone baseret på beregningsarbejde. "

Minakatas team sammenlignede modellens forudsigelige resultater med de 10 biprodukter, der blev observeret i den eksperimentelle undersøgelse fra 1999, og modellens resultater følger nøjagtigt med de observerede reaktionsveje.

Avanceret oxidation er en meget effektiv og vigtig måde at behandle vand og spildevand på, så dets anvendelse bør ikke ophøre. Mange lokalsamfund i tørre områder er ved at løbe tør for vand og skal genbruge renset spildevand - en proces kaldet direkte genbrug af drikkevand. Hvis syntetiske organiske kemikalier og deres oxiderede biprodukter ikke fjernes fra vandet, mennesker og dyr indtager dem.

I regionen Great Lakes, opstrøms samfund udleder renset spildevand til sø og floder. Folk, der lever nedstrøms, bruger det vand; og eksisterende, konventionelle behandlingsprocesser fjerner ikke alle organiske kemikalier effektivt. Avanceret oxidation kan effektivt målrette mod bestemte organiske kemikalier for at fjerne dem fra vand. Modellering af reaktionsveje er afgørende for at hjælpe vandbehandlingsledere med at forstå, hvordan man bedst bruger kniven, som det var.

En begrænsning af arbejdet er, at modellen udelukkende gælder for strukturelt enkel organisk forurening som acetone, frem for stort set flere kemiske nedbrydningsprocesser. Organiske kemikalier har ekstraordinært komplekse strukturer, og vi mangler beregningsevne til at beregne reaktionsveje. Minakatas team brugte Superior -supercomputeren hos Michigan Tech. Superior undrede sig over acetonestierne med hundredvis af beregninger - hvoraf nogle kan tage mere end uger.

Kemiske reaktioner rundt omkring

At forstå mekanismerne for kemisk biproduktdannelse er ikke kun vigtigt for vandbehandling; det fremmer også det, vi ved om kemiske reaktioner i atmosfæren og inde i vores kroppe.

"Inde i en vanddråbe i en sky, den samme radikale reaktion foregår, "Minakata siger." I vores kroppe, reaktive iltarter skader menneskelige celler. Hvis du drikker meget alkohol, eller hvis du har for meget solskin, du skaber frie radikaler. Disse frie radikaler skader dine celler og kan skabe kræftceller. Fri radikal-involveret kemi er almindelig inden for forskellige discipliner. Vi bruger kemi af frie radikaler til at ødelægge giftige kemikalier "