Марганец не является особо токсичным минералом. На самом деле людям нужно немного в своем рационе, чтобы оставаться здоровыми.
Исследования Вашингтонского университета в Сент-Луисе показали, однако, что в сочетании с некоторыми другими химическими веществами встречающийся в природе марганец может привести к большим изменениям в воде в свинцовых трубах. В зависимости от того, какие дезинфицирующие средства используются в воде, эти изменения могут иметь серьезные и даже опасные последствия.
Результаты были недавно опубликованы в журнале Environmental Science and Technology.
Исследование сосредоточено на уникальной форме свинца, PbO2 или диоксиде свинца (свинец в степени окисления плюс-4). Двуокись свинца имеет очень низкую растворимость в воде - она плохо растворяется в одной воде. Он также редко встречается в природе, в отличие от более знакомого PbCO3, карбоната свинца, который образует накипь, которая имеет тенденцию образовываться на трубах.
«Вы не найдете PbO2 в окружающей среде, потому что в ней нет сильного окислителя», - сказал Дэниел Джаммар, профессор экологического проектирования имени Уолтера Э. Брауна в Университете Инженерная школа Маккелви. «Но хорошие дезинфицирующие средства часто являются хорошими окислителями».
Хлор является прекрасным дезинфицирующим средством настолько, что его широко используют в питьевой воде в Америке и во всем мире. Он также является хорошим окислителем и способствует превращению карбоната свинца в диоксид свинца.
Оказывается, однако, что процесс идет не особенно быстро, что шутит с некоторыми реальными системами, но, похоже, не с другими.
«Если вы посмотрите на систему со свинцовыми трубами и свободным хлором, то вы ожидаете, что в каждой из них будет диоксид свинца на трубах», - сказал Джаммар. «Но мы этого не видим. Это заставляет нас думать: что-то еще влияет на то, будет ли та или иная система содержать двуокись свинца на своей внутренней поверхности.
"Вот где появляется марганец."
В присутствии окислителей марганец может легко изменять степень окисления; если марганец вступает в контакт с хлором, он окисляется, превращаясь в оксид марганца. Как в компьютерных моделях, так и в экспериментах, имитирующих водопроводные трубы с искусственной водопроводной водой, лаборатория Джаммара обнаружила, что оксид марганца действует как катализатор, увеличивая скорость превращения карбоната свинца в диоксид свинца на два порядка.
«Хлор по-прежнему является реагентом, управляющим конверсией свинца, но оксид марганца действует как катализатор, ускоряя ее», - сказал Джаммар.
Это исследование вполне может помочь узнать, как другие химические взаимодействия влияют на скорость трансформации свинца. «Какие другие факторы, кроме свинца, могут влиять на эти показатели?» - спросил Джаммар. «А оксиды железа действуют на это? Алюминий мы тоже изучим».
Дальнейшие исследования, направленные на понимание того, какие реакции влияют на скорость трансформации свинца и иным образом влияют на доступность свинца в воде, приведут к большему, чем прорывы в лаборатории. Они будут иметь реальные последствия для здоровья.
Возьмите, к примеру, Вашингтон, округ Колумбия, 2000 год.
Районное управление водоснабжения и канализации перешло с дезинфицирующего средства на основе хлора на менее сильное, называемое хлорамином, потому что хлор создавал некоторые неприятные побочные продукты. Но произошло непредвиденное последствие.
«Когда управление водоснабжения сменило дезинфицирующее средство, диоксид свинца в трубной накипи перестал быть стабильным», - сказал он. «Он быстро растворялся, и в водопроводной воде образовывались высокие концентрации свинца».
События в округе Колумбия заставили другие системы, использующие свободный хлор, начать задавать вопросы о том, следует ли им беспокоиться о диоксиде свинца, если они собираются перейти на хлорамин. Интересно, что многие системы обнаруживают двуокись свинца в весах на свинцовых линиях, но другие системы этого не делают. Различия в концентрациях марганца в системах общественного водоснабжения потенциально могут объяснить эти различия.
«То, как вы собираетесь очищать воду, зависит от источника и ее состава, а также от вашей инфраструктуры», - сказал Джаммар. «Нет универсального решения для всех».
Это открытие было случайностью.
Лаборатория проводила еще один эксперимент с искусственной водопроводной водой в свинцовых трубах и обрабатывала ее хлором, чтобы проверить, могут ли они создавать диоксид свинца.
Они включали вещества, обычно встречающиеся в водопроводной воде: кальций, магний, натрий и хлорид. «Над проектом работала новая ученица, и вместо магния она добавила марганец», - сказал Джаммар.
Потом все стало странно. «Вода была прозрачной, вдруг стала мутной и черной».
В течение нескольких недель было много осадков свинца, но затем они прекратились.
«Мы открыли трубы и посмотрели», - сказал Джаммар. «О, у нас есть диоксид свинца, который мы пытались сделать». Марганец только ускорил процесс.