Синтетические химикаты постоянно присутствуют в современной жизни - в наших лекарствах, косметике и одежде - но что происходит с ними, когда они попадают в наши муниципальные системы водоснабжения?
Поскольку эти химические вещества вне поля зрения, вне разума, мы предполагаем, что они не могут причинить нам вред после того, как мы смоем их в раковину. Однако большинство инфраструктур очистки воды не предназначены для удаления синтетических органических химикатов, таких как те, которые содержатся в опиоидах, средствах личной гигиены и фармацевтических препаратах.
Следовательно, следовые концентрации этих химических веществ присутствуют в сточных водах: водах, сбрасываемых очистными сооружениями в озера, реки и ручьи. Несмотря на то, что они обнаружены в чрезвычайно малых концентрациях, всего нанограммы или микрограммы, токсичность для человеческого организма и экосистем изучена недостаточно..
Хуже того, мы еще меньше знаем о влиянии на здоровье человека и экосистемы побочных продуктов, образующихся в процессе усовершенствованной окислительной обработки воды; тысячи химических побочных продуктов могут быть созданы всего за несколько минут.
Поэтому крайне важно, чтобы ученые и руководители очистных сооружений понимали механизмы образования побочных химических продуктов в процессе очистки. Дайсуке Минаката, доцент кафедры гражданской и экологической инженерии Мичиганского технологического университета, вместе с соавторами Дивья Камат и Стивен Мезик пытались понять эти механизмы, используя ацетон в качестве тестового примера.
Авторы основывались на экспериментальном исследовании 1999 года путей реакции с ацетоном во время обработки, используя квантово-механические расчеты для предсказания химических побочных продуктов, которые возникают при разложении ацетона во время расширенного процесса окисления.
Моделирование деградации
По химическим стандартам ацетон имеет простую структуру. Это делает его идеальным для моделирования путей реакции - множества способов, которыми химическое вещество может разлагаться на свободные радикалы и побочные продукты - для прогнозирования образования побочных продуктов и радикалов.
«Когда мы проводим очистку воды с помощью передового химического окисления, эти окислители разрушают целевые органические соединения, но создают побочные продукты», - говорит Минаката. «Некоторые побочные продукты могут быть более токсичными, чем их исходное соединение. Нам нужно понять фундаментальные механизмы образования побочных продуктов, и тогда мы сможем предсказать, что будет получено из многих других химических веществ. Мы обнаружили более 200 реакций, участвующих в разложении ацетона на основе по вычислительной работе."
Команда Минаката сравнила прогностические результаты модели с 10 побочными продуктами, наблюдаемыми в экспериментальном исследовании 1999 года, и результаты модели точно соответствуют наблюдаемым путям реакции.
Усовершенствованное окисление является очень эффективным и важным способом очистки воды и сточных вод, поэтому его использование нельзя прекращать. Во многих населенных пунктах в засушливых регионах заканчивается вода, и они должны повторно использовать очищенные сточные воды - процесс, называемый прямым повторным использованием для питья. Если синтетические органические химикаты и их окисленные побочные продукты не удаляются из воды, люди и животные потребляют их.
В районе Великих озер общины вверх по течению сбрасывают очищенные сточные воды в озера и реки. Люди, живущие ниже по течению, используют эту воду; а существующие традиционные процессы очистки не позволяют эффективно удалить все органические химические вещества. Усовершенствованное окисление может эффективно воздействовать на определенные органические химические вещества, чтобы удалить их из воды. Моделирование путей реакции имеет решающее значение, чтобы помочь менеджерам по очистке воды понять, как лучше всего владеть ножом, так сказать.
Ограничение работы заключается в том, что модель применима исключительно к структурно простым органическим загрязнителям, таким как ацетон, а не к множеству процессов химической деградации. Органические химические вещества имеют необычайно сложную структуру, и нам не хватает вычислительных мощностей для расчета путей реакции. Команда Минаката использовала суперкомпьютер Superior в Технологическом институте штата Мичиган. Superior ломал голову над ацетоновыми путями с сотнями расчетов, некоторые из которых могут занять больше недели.
Химические реакции вокруг
Понимание механизмов образования побочных химических продуктов важно не только для очистки воды; это также расширяет наши знания о химических реакциях в атмосфере и внутри наших тел.
«Внутри капли воды в облаке происходит такая же радикальная реакция», - говорит Минаката. «В нашем организме активные формы кислорода повреждают человеческие клетки. Если вы пьете много алкоголя или слишком много проводите времени на солнце, вы создаете свободные радикалы. Эти свободные радикалы повреждают ваши клетки и могут создавать раковые клетки. Химия, связанная со свободными радикалами распространен в разных дисциплинах. Мы используем химию свободных радикалов для уничтожения токсичных химических веществ"