Le sostanze chimiche sintetiche sono sempre presenti nella vita moderna:nei nostri farmaci, cosmetici e vestiti, ma cosa succede loro quando entrano nelle nostre riserve idriche municipali?

Poiché queste sostanze chimiche non sono visibili, fuori di testa, supponiamo che non possano farci del male dopo averli buttati nel lavandino. Però, la maggior parte delle infrastrutture di trattamento delle acque non sono state progettate per rimuovere sostanze chimiche organiche sintetiche come quelle che si trovano negli oppioidi, prodotti per la cura personale e prodotti farmaceutici.

Di conseguenza, tracce di tali sostanze chimiche sono presenti negli effluenti:le acque scaricate dagli impianti di trattamento nei laghi, fiumi e torrenti. Sebbene si trovi in ​​concentrazioni estremamente ridotte, solo nanogrammi o microgrammi, la tossicità non è ben compresa nei corpi umani e negli ecosistemi.

Peggio, sappiamo ancora meno degli effetti sulla salute dell'uomo e dell'ecosistema dei sottoprodotti creati durante i processi avanzati di trattamento delle acque di ossidazione; migliaia di sottoprodotti chimici possono essere creati in pochi minuti.

Perciò, è fondamentale che gli scienziati ei gestori degli impianti di trattamento comprendano i meccanismi con cui vengono creati i sottoprodotti chimici durante il processo di trattamento. Daisuke Minakata, assistente professore di ingegneria civile e ambientale presso la Michigan Technological University, con i coautori Divya Kamath e Stephen Mezyk, ha cercato di capire quei meccanismi usando l'acetone come caso di prova.

Gli autori si sono basati su uno studio sperimentale del 1999 sui percorsi di reazione all'acetone durante il trattamento, utilizzando calcoli di meccanica quantistica per prevedere i sottoprodotti chimici che si verificano quando l'acetone si degrada durante il processo di ossidazione avanzata.

I loro risultati sono pubblicati nell'articolo, "Chiarire le vie di reazione elementari e la cinetica della degradazione dell'acetone indotta da radicali idrossilici nel processo di ossidazione avanzata in fase acquosa", nel diario Scienze e tecnologie ambientali , pubblicato dall'American Chemical Society.

Degrado della modellazione

Secondo gli standard chimici, l'acetone ha una struttura semplice. Ciò lo rende ideale per modellare i percorsi di reazione, la miriade di modi in cui una sostanza chimica può degradarsi in radicali liberi e sottoprodotti, per prevedere quali sottoprodotti e radicali si formano.

"Quando effettuiamo il trattamento dell'acqua utilizzando l'ossidazione chimica avanzata, quegli ossidanti distruggono i composti organici bersaglio ma creano sottoprodotti, " Minakata dice. "Alcuni sottoprodotti possono essere più tossici del loro composto progenitore. Dobbiamo comprendere i meccanismi fondamentali di come vengono prodotti i sottoprodotti e quindi possiamo prevedere cosa verrà prodotto da molte altre sostanze chimiche. Abbiamo trovato più di 200 reazioni coinvolte nella degradazione dell'acetone basate sul lavoro computazionale".

Il team di Minakata ha confrontato i risultati predittivi del modello con i 10 sottoprodotti osservati nello studio sperimentale del 1999, e i risultati del modello seguono accuratamente i percorsi di reazione osservati.

L'ossidazione avanzata è un modo molto efficace e importante per trattare l'acqua e gli effluenti, quindi il suo uso non dovrebbe essere interrotto. Molte comunità nelle regioni aride stanno esaurendo l'acqua e devono riutilizzare le acque reflue trattate, un processo chiamato riutilizzo potabile diretto. Se i prodotti chimici organici sintetici e i loro sottoprodotti ossidati non vengono rimossi dall'acqua, persone e animali li consumano.

Nella regione dei Grandi Laghi, le comunità a monte scaricano le acque reflue trattate nei laghi e nei fiumi. Le persone che vivono a valle usano quell'acqua; ed esistente, i processi di trattamento convenzionali non rimuovono efficacemente tutte le sostanze chimiche organiche. L'ossidazione avanzata può colpire efficacemente sostanze chimiche organiche specifiche per rimuoverle dall'acqua. La modellazione dei percorsi di reazione è fondamentale per aiutare i responsabili del trattamento delle acque a capire come maneggiare al meglio il coltello, com'era.

Una limitazione del lavoro è che il modello si applica esclusivamente a contaminanti organici strutturalmente semplici come l'acetone, piuttosto che processi di degradazione chimica ampiamente multipli. Le sostanze chimiche organiche hanno strutture straordinariamente complesse, e ci manca la capacità computazionale per calcolare i percorsi di reazione. Il team di Minakata ha utilizzato il supercomputer Superior della Michigan Tech. Superior è rimasto perplesso sulle vie dell'acetone con centinaia di calcoli, alcuni dei quali possono richiedere più di settimane.

Reazioni chimiche tutt'intorno

Comprendere i meccanismi di formazione dei sottoprodotti chimici non è importante solo per il trattamento delle acque; sta anche facendo avanzare ciò che sappiamo sulle reazioni chimiche nell'atmosfera e all'interno dei nostri corpi.

"Dentro una goccia d'acqua in una nuvola, la stessa reazione radicale sta succedendo, " dice Minakata. "Nei nostri corpi, le specie reattive dell'ossigeno danneggiano le cellule umane. Se bevi molto alcol, o se hai troppo sole, crei radicali liberi. Questi radicali liberi danneggiano le cellule e possono creare cellule cancerose. La chimica coinvolta dai radicali liberi è comune in diverse discipline. Usiamo la chimica dei radicali liberi per distruggere le sostanze chimiche tossiche"