4:32 пп - Среда 24 сентября

Чтобы сделать дорожные соли менее вредными, мы изучаем натуральные антифризы, производимые рыбой.

Противообледенительные соли сохраняют проходимость зимних дорог, но при этом наносят большой вред. Грегори Рек / Портленд Портленд Пресс Геральд через Getty Images

Многие люди ассоциируют свежий снегопад с такими удовольствиями, как горячий шоколад и зимние виды спорта. Но для горожан это также может означать налипшую соль, которая прилипает к обуви, подолу одежды и автомобилям. Это потому, что как только ртуть опускается ниже нуля и в прогнозе выпадают осадки, местные органы власти начинают распространять антиобледенительные соли, чтобы дороги не замерзли.

Эти соли обычно представляют собой менее очищенную форму поваренной соли или натрия. хлорид, но также может включать другие соединения, такие как хлорид магния и хлорид калия. Они работают, понижая температуру замерзания воды.

Противообледенительные соли также наносят значительный ущерб автомобилям, инфраструктуре и окружающей среде. И города используют их в огромных количествах — почти 20 миллионов тонн в год в городах США Snowbelt в Канаде, Европе и Японии также широко используют антиобледенительные соли.

Но в разработке находятся новые варианты. Я ученый-материаловед, ищущий решения для наших чрезмерно засоленных тротуаров, анализируя способы, которыми мир природы обращается со льдом. Рыбы, насекомые и даже некоторые растения научились приспосабливаться к холодному климату за сотни тысяч лет, создавая свои собственные антифризы, чтобы выдерживать отрицательные температуры. Взяв страницу с натуры, мы с коллегами надеемся разработать эффективные, но более безопасные антифризы.

 

Вредное воздействие соли

Многие водители слишком хорошо знают, что дорожная соль сокращает количество жизней автомобилей, ускоряя процесс ржавления. По оценкам исследования 2010 года, использование антиобледенительных солей ежегодно обходится водителям США в 23,4 миллиарда долларов США по всей стране в виде повреждения транспортных средств из-за коррозии

. Они содержат ионы хлора — атомы с отрицательным зарядом, которые изменяют химический состав воды и делают ее более агрессивной при контакте с такими материалами, как бетон и сталь.

В результате дорожные соли увеличивают существующие нагрузки на стареющие конструкции. Противообледенительные соли способствовали разрушению мостов и вызывают растрескивание и другие формы выветривания на покрытиях шоссе.

Антиобледенительные соли также имеют широко распространенное воздействие в природе. Если после долгой снежной зимы вы едете по покрытой лесом дороге, вы можете заметить, что деревья рядом с дорогой выглядят немного более коричневыми, чем другие. Это связано с тем, что дорожные соли вытесняют минералы в почве и грунтовых водах, создавая состояние, известное как физиологическая засуха.

Это означает, что деревья не могут впитывать воду своими корнями, даже если она свободно находится в почве. Когда естественные засушливые условия уже существуют, в таких местах, как Колорадо, физиологическая засуха может увеличить риск лесных пожаров, делая растения более склонными к возгоранию.

Ручьи, реки и озера особенно уязвимы для стока воды, содержащей соли для защиты от обледенения. Хлор из соли может препятствовать нересту рыб и снижать уровень растворенного кислорода в воде, что вредит рыбам и другим водным организмам. Солевые стоки также могут способствовать росту опасных цианобактерий, также известных как сине-зеленые водоросли. Некоторые формы сине-зеленых водорослей выделяют токсины, от которых могут заболеть люди или животные, потребляющие их с питьевой водой.

Заливка дорог — это эффективный и экономичный способ содержать дороги в чистоте зимой, но противообледенительные соли легко проникают в почву, ручьи и грунтовые воды. Ученые работают, чтобы понять их влияние на природу.

Природные антифризы

Альтернативный вариант антиобледенения должен быть нетоксичным и расщепляться на безвредные компоненты, но не слишком быстро, иначе его действие не продлится долго. Чтобы понять, почему это важно, рассмотрим пропиленгликоль, который используется для удаления льда с самолетов.

Пропиленгликоль предпочтительнее для этой цели, поскольку он менее токсичен, чем этиленгликоль, который предохраняет радиатор вашего автомобиля от замерзания. Но действие пропиленгликоля непродолжительно, поэтому самолет обычно может ждать только ограниченный период времени между обработкой льда и взлетом. По этой же причине пропиленгликоль редко распыляют на проезжей части и на поверхностях. Кроме того, хотя он обычно классифицируется как безопасный для человека, он все же может быть смертельным для водных организмов.

 Антарктический клыкач под водой в проливе Мак-Мердо, Антарктида
Антарктический клыкач плавает в самых холодных водах на Земле благодаря естественным антифризовым белкам в тканях.
Пол Чико / Википедия, CC BY

Что насчет естественного альтернативы? Ученые обнаружили на Аляске насекомых и пауков, которые создают в своем теле антифризные белки, снижающие температуру замерзания воды на несколько градусов. А некоторые рыбы, такие как антарктический клыкач ( Dissostichus mawsoni ), вырабатывают антифризы гликопротеины, которые предотвращают замерзание крови в их венах в самых холодных водах Земли.

Большинство этих гликопротеинов представляют собой хрупкие структуры, которые быстро разрушаются в суровых условиях внешнего мира. Но мы с коллегами учимся создавать собственные антифризы путем имитации. Наша первая задача — узнать, как работают естественные версии, чтобы мы могли их воссоздать.

Хотя мы еще многого не понимаем, мы используем передовое компьютерное моделирование, чтобы увидеть, как белки-антифризы взаимодействуют с молекулами воды. Другие ученые обнаружили, что гликопротеины антифриза рыбы содержат два основных сегмента, и что одни из них более важны, чем другие.

В частности, большую часть работы выполняют небольшие соединения, называемые гидроксильными группами, которые состоят из атомов водорода и кислорода. Эти небольшие соединения блокируются молекулами воды, как ключ в замке, чтобы предотвратить образование льда. Они также являются частью наиболее важных участков белков, которые связываются с поверхностью любых развивающихся кристаллов льда и предотвращают их увеличение.

 Диаграммы молекул антифриза, продуцируемых рыбами и насекомыми
Белки-антифризы, производимые (слева) направо) океанический дурак, зимняя камбала, желтый мучной червь, еловая бабочка и снежная блоха. Светло-синие части связываются с поверхностью кристаллов льда и замедляют или предотвращают их рост.
Банк данных о белках

Белки-антифризы — это природные полимеры — огромные длинные молекулы, состоящие из более мелких повторяющихся молекул, похожих на звенья цепи. Воссоздание этих соединений — непростая задача, но мы можем создать наши собственные синтетические версии в лаборатории, начиная с поливинилового спирта или ПВА. Это простое и недорогое соединение, которое нетоксично для людей и водных организмов и является обычным ингредиентом многих повседневных продуктов личной гигиены.

PVA содержит те же гидроксильные группы, что и в белках антифризов рыб. Используя химическую инженерию, мы можем изменить расположение этих гидроксилов в структуре полимера, сделав ее более похожей на соединения, производимые рыбой. В будущем мы, возможно, сможем превратить ПВС из обычного соединения в средство для борьбы со льдом, которое можно будет использовать практически где угодно.

Поскольку ПВС не разлагается слишком быстро, он может работать на поверхностях, которые должны оставаться незамерзающими, таких как дороги, тротуары и поручни. Его длинная химическая структура делает его пригодным для придания формы и применения в аэрозолях или покрытиях. Когда-нибудь зимой города могут полагаться на нетоксичные антифризы, наносимые в виде спреев, которые не пачкают вашу одежду и не разъедают вашу машину.

 The Conversation

Моника Блешински получает финансирование от Управления экономического развития и международной торговли Колорадо (OEDIT).

Категория: О воде

Комментирование закрыто.