Syntetiska kemikalier är ständigt närvarande i det moderna livet-i våra mediciner, kosmetika och kläder - men vad händer med dem när de kommer in i våra kommunala vattenförsörjningar?

Eftersom dessa kemikalier är utom synhåll, sinneslöst, vi antar att de inte kan skada oss efter att vi spolat ner dem i diskbänken. Dock, de flesta vattenreningsinfrastrukturerna var inte utformade för att ta bort syntetiska organiska kemikalier som de som finns i opioider, produkter för personlig vård och läkemedel.

Följaktligen, spårkoncentrationer av dessa kemikalier finns i avloppsvatten:vattnet som släpps ut från reningsverk till sjöar, floder och vattendrag. Även om det finns i extremt små koncentrationer, bara nanogram eller mikrogram, toxiciteten är inte väl förstådd i människokroppar och ekosystem.

Värre, vi vet ännu mindre om effekterna på människors och ekosystemets hälsa av biprodukter som skapats under avancerade processer för behandling av oxidationsvatten; tusentals kemiska biprodukter kan skapas på bara några minuter.

Därför, det är avgörande att forskare och reningsverkets chefer förstår de mekanismer genom vilka kemiska biprodukter skapas under behandlingsprocessen. Daisuke Minakata, biträdande professor i civil- och miljöteknik vid Michigan Technological University, med medförfattarna Divya Kamath och Stephen Mezyk, försökte förstå de mekanismer som använder aceton som ett testfall.

Författarna byggde på en experimentell studie från 1999 av acetonreaktionsvägar under behandlingen, med hjälp av kvantmekaniska beräkningar för att förutsäga de kemiska biprodukter som uppstår när aceton bryts ned under den avancerade oxidationsprocessen.

Deras resultat publiceras i artikeln, "Tydliggör de elementära reaktionsvägarna och kinetiken för hydroxylradikalinducerad acetonnedbrytning i vattenfas avancerad oxidationsprocess", i tidningen Miljövetenskap och teknik , publicerad av American Chemical Society.

Modellering Nedbrytning

Enligt kemiska standarder, aceton har en enkel struktur. Detta gör den idealisk för modellering av reaktionsvägar - de otaliga sätten en kemikalie kan brytas ned i fria radikaler och biprodukter - för att förutsäga vilka biprodukter och radikaler som bildas.

"När vi utför vattenrening med avancerad kemisk oxidation, dessa oxidanter förstör målorganiska föreningar men skapar biprodukter, "Minakata säger." Vissa biprodukter kan vara mer giftiga än deras föräldraförening. Vi måste förstå de grundläggande mekanismerna för hur biprodukterna produceras och sedan kan vi förutsäga vad som ska produceras från många andra kemikalier. Vi hittade mer än 200 reaktioner involverade i acetonnedbrytningar baserat på beräkningsarbete. "

Minakatas team jämförde modellens förutsägbara resultat med de 10 biprodukter som observerades i experimentstudien 1999, och modellens resultat följer exakt med de observerade reaktionsvägarna.

Avancerad oxidation är ett mycket effektivt och viktigt sätt att behandla vatten och avlopp, så dess användning ska inte avbrytas. Många samhällen i torra regioner tar slut på vatten och måste återanvända renat avloppsvatten - en process som kallas direkt drickbar återanvändning. Om syntetiska organiska kemikalier och deras oxiderade biprodukter inte avlägsnas från vattnet, människor och djur konsumerar dem.

I regionen Great Lakes, uppströms samhällen släpper ut renat avloppsvatten i sjö och floder. Människor som lever nedströms använder det vattnet; och befintliga, konventionella behandlingsprocesser tar inte bort alla organiska kemikalier effektivt. Avancerad oxidation kan effektivt rikta specifika organiska kemikalier för att ta bort dem från vatten. Att modellera reaktionsvägar är avgörande för att hjälpa vattenbehandlingschefer att förstå hur man bäst hanterar kniven, som det var.

En begränsning av arbetet är att modellen enbart gäller strukturellt enkel organisk förorening som aceton, snarare än i stort sett flera kemiska nedbrytningsprocesser. Organiska kemikalier har utomordentligt komplexa strukturer, och vi saknar beräkningskapacitet för att beräkna reaktionsvägarna. Minakatas team använde Superior -superdatorn på Michigan Tech. Superior förbryllade på acetonvägarna med hundratals beräkningar - varav några kan ta mer än veckor.

Kemiska reaktioner runt om

Att förstå mekanismerna för kemisk biproduktbildning är inte bara viktigt för vattenrening; Det främjar också vad vi vet om kemiska reaktioner i atmosfären och inuti våra kroppar.

"Inuti en vattendroppe i ett moln, samma radikala reaktion pågår, "Minakata säger." I våra kroppar, reaktiva syrearter skadar mänskliga celler. Om du dricker mycket alkohol, eller om du har för mycket solsken, du skapar fria radikaler. Dessa fria radikaler skadar dina celler och kan skapa cancerceller. Fri radikal-involverad kemi är vanligt inom olika discipliner. Vi använder kemi av fria radikaler för att förstöra giftiga kemikalier "