Et bedre informeret samfund kan forhindre blyforgiftningskatastrofer

Seks år efter det begyndte, Flinten, Michigan, vandkrise er fortsat blandt de højest profilerede nødsituationer i USA.

Omfattende jern- og blykorrosion af vanddistributionssystemet i Flint, kombineret med blyfrigivelse, skabte "rødt vand"-klager, hurtigt tab af klordesinfektionsmiddel og et udbrud af legionærsygdom, der dræbte 12 mennesker. Statslige og føderale agenturer har hidtil udbetalt 450 millioner dollar i bistand. I august, staten Michigan nåede frem til et mæglet forlig i en civil retssag og forventes at betale omkring 600 millioner dollars til ofrene, hvoraf mange er børn.

"Flint -historien er en advarsel om dårlig forventning til risici, handlinger, der var for lidt for sent, reaktionære og ikke drevet af videnskabelige data, " John R. Scully, University of Virginia Charles Henderson, formand for professor i materialevidenskab og teknik, sagde. Scully fungerer også som teknisk chefredaktør for CORROSION Journal.

I et papir offentliggjort 8. september i Proceedings of the National Academy of Sciences , Scully og Raymond J. Santucci, der fik sin ph.d. fra UVAs Institut for Materialevidenskab og Teknik i 2019, behandle uløste videnskabelige spørgsmål, der kan hjælpe med at afværge fremtidige blyforgiftningskatastrofer. Blyforgiftning fra nedbrydende blyrør er en gennemgående trussel, og fremtidige hændelser er sandsynlige.

"Dette kræver et nyt perspektiv, for at undgå bare at kigge i bakspejlet og i stedet fokusere på det, der ligger rundt i kurven forude, " sagde Scully.

Almindeligt foreslåede strategier tilbyder falsk komfort baseret på sparsomt vandtest, tommelfingerregler, og traditionelle afbødningsstrategier snarere end ved hårdt udfordrede sunde videnskabelige principper, ifølge avisens forfattere.

"Vi er nødt til bedre at forstå de videnskabelige faktorer, der styrer blyfrigivelsen, og det starter med en bedre teststrategi og forståelse af nogle grundlæggende sandheder, "Sagde Scully.

Scully og Santucci hævder, at de mennesker, der administrerer og regulerer offentlige vandsystemer, bør bruge videnskabelige data til at forudsige risikoen for blyfrigivelse. Risikovurderinger baseret på videnskabelige data bør erstatte den nuværende afhængighed af vandprøvetagning, hvilket er upræcist og ofte for sent til at forhindre en katastrofe.

En forudsigelig ramme for blykorrosion ville give lovgivere og infrastrukturforvaltere mulighed for at forudse problemer og styre risikoen for vandforhold forbundet med uacceptabel blyfrigivelse.

Santucci og Scully anbefaler bedre termodynamiske og kinetiske beregninger og modeller, der kan forudsige blyfrigivelse og akkumulering. De foreslåede modeller kunne generere risikovurderinger baseret på dynamiske data såsom vandkemi, reaktionshastigheder, skældannelse og inhibitor-korrosionsmekanismer, samt vandstagnation og flow.

Citizen scientists kan hjælpe med at møde dataindsamlingsudfordringen. "Hurtig nøjagtig test, måske via mobiltelefontestsæt, kunne give flere realtidsdata. Håndholdt, mobilteknologi, der gør det muligt for borgerne at overvåge deres eget drikkevand, burde allerede have avanceret, " sagde Scully.

Santucci og Scully illustrerer, hvordan kemisk termodynamik kan forudsige dannelsen af ​​termodynamisk stabile blybaserede forbindelser på blyrøroverflader. Visse forbindelser danner fordelagtige film, der kan virke som kinetiske barrierer for at forhindre korrosion og fungere til at opsuge ellers opløseligt bly.

"Stabil filmudvikling afhænger af en vis ligevægtskemi, med konsekvenser for fosfatbehandling, " sagde Santucci. "Tilføj mere fosfat, og du kan fjerne mere opløseligt bly for at danne en beskyttende blyfosfatfilm. Fjern fosfat helt, og så stoler du på at håbe, at andre blyforbindelser (bly-carbonat, -sulfat, -oxid, osv.) kan fjerne de niveauer af bly, du har brug for, " hvilket normalt ikke er tilfældet.

I fosfatbehandlet vand, der dannes en blyfosfatfilm. "Fra vores data, det er termodynamisk umuligt at holde sig inden for det acceptable område af EPA's bly- og kobber-regel uden en inhibitor som fosfat. Men det tager tid for skalaen at danne sig. Vi er nødt til at udforske nye inhibitorkemikalier og overfladeændrende midler, der optimerer den beskyttende skaladækning på en rørvæg, "Sagde Santucci.

Forfatterne foreslår også helt nye ideer at forudse, overvåge og forhindre fremtidig bly i vandkriser. Kunstig intelligens og maskinlæring kan hjælpe med at identificere forholdet mellem vand- og rørforhold og blyniveauer i drikkevand. Santucci og Scully foreslår også en lovende strategi for brug af isotopanalyse til at spore blykilderne. "Denne strategi ville øge vores forståelse af, hvordan bly frigives fra blyrør og andre ikke så indlysende kilder, som i høj grad mangler, " står der i deres papir.

Offentlige embedsmænd kan hævde, at investeringen i videnskabelig forskning og modellering er unødvendig, fordi blybaserede rør udskiftes, dog på husejernes regning. Scully and Santucci disagree with that perspective. "Total replacement of lead service lines is a wonderful goal, but finding all sources of lead can be difficult, " Scully said.

Replacing lead in public water systems does not simply mean replacing lead pipes. Additional sources include lead-based solder used to join pipes together and commercial brass that commonly contains small amounts of lead, and lead ions that soak into the corrosion film of steel pipes over time. Partial replacement of lead pipes with other pipes such as steel or copper can actually increase lead release due to galvanic corrosion, a process where contact between two dissimilar metals causes protection of one and accelerated degradation of the other.

Santucci and Scully argue for holistic, kinetic models that incorporate the rate of lead release from all possible sources, under many real-world operating conditions.

"The root cause of the Flint water crisis can be found at the intersection of materials science, surface science, water chemistry and electrochemistry, " Scully said. "A better-informed society can prevent such disasters from happening in the future through improved risk assessment, anticipation and management of factors affecting lead release. We all have a part to play in averting future lead poisoning disasters."