Электрохимия и вода
T Вот три основных процесса, которые следует учитывать при обсуждении чистой воды. Первый — получение чистой воды для потребления. Гидрология является решающим фактором в отношении наличия воды из таких источников, как озера, реки, водоносные горизонты или океаны. Химия и электрохимия используются в процессе очистки и обработки воды до уровня, безопасного для человеческого или промышленного потребления. Одним из примеров влияния электрохимии на доступность чистой воды является электролитическое опреснение, которое представляет собой процесс очистки соленой воды в электрохимической ячейке.
Второй процесс обеспечивает подачу чистой воды максимально ответственно и эффективно. Это включает в себя политические решения, касающиеся распределения воды, водопользования и смягчения факторов стресса, таких как стихийные бедствия (острые, например, цунами и землетрясения, или хронические, например, засухи, пандемии и стареющая инфраструктура).
Третий важный процесс включает поддержание желаемого уровня. уровень чистоты воды, который включает защиту естественных отложений пресной (почти чистой) воды от загрязнения и сохранение воды, которая уже была обработана и готова к употреблению. Коррозия может вызвать деградацию конструкций, предназначенных для содержания нефти и другого топлива, опасных отходов, химикатов и т. Д., Которые могут высвобождаться, а затем загрязнять природные воды. «Чистая» (очищенная) вода обычно попадает под угрозу из-за роста биологических загрязнителей или выделения опасных химикатов из конструкционных материалов, таких как пластмассы, металлы и керамика. Дезинфицирующие средства (хлор или хлорамины) могут усилить коррозию. Металлическая коррозия особенно важна для систем, содержащих металлические конструкции (трубы, клапаны, припой и т. Д.) И агрессивные химические соединения воды. Одним из печальных примеров этого является кризис воды во Флинте.
Кризис воды во Флинте
Обширная коррозия железа и свинца в системе распределения воды во Флинте, штат Мичиган, вызвала жалобы на «красную воду», быструю потерю санитарных возможностей и вспышка болезни легионеров, унесшая жизни 12 человек. Эти острые симптомы скрывали основную проблему выброса свинца в воду, которая не диагностировалась около года. Последствия были трагическими. Всего на данный момент агентства штата и федеральные агентства выделили 450 миллионов долларов помощи. В августе штат Мичиган достиг урегулирования в гражданском иске при посредничестве и, как ожидается, выплатит около 600 миллионов долларов жертвам, многие из которых — дети, столкнувшиеся с потенциальными долгосрочными последствиями воздействия свинца.
История Флинта является предостережением. рассказ о том, что слишком мало, слишком поздно, и о реакционных действиях, не основанных на научных данных. Хотя причин катастрофы много, мы выделим повышенную соленость и кислотность воды (т. Е. Коррозионную активность воды) и приостановленное использование ингибиторов коррозии. Весь кризис начался с решения сменить поставщика городской воды в целях экономии. Пока прорабатывалась логистика переключения, город восстановил собственную устаревшую водную установку для очистки воды из реки Флинт для своих краткосрочных нужд. Излишне говорить, что оборудование и персонал были не на высоте. Данные показывают, что кислотность питьевой воды, то есть очищенной воды, а не речной воды, постоянно увеличивалась (ее pH снижался), а массовое соотношение хлоридов и сульфатов (CSMR) постоянно увеличивалось. Эта повышенная кислотность и соленость (особенно в отношении хлоридов) была основной причиной кризиса, поскольку она увеличила коррозию свинца, как обсуждается ниже.
Кислотность воды (pH) имеет решающее значение для определения скорости коррозии, поскольку она влияет на устойчивость коррозии. -ограничивающие пленки на поверхности металлических труб. Хлорид — еще один «плохой фактор», который также может дестабилизировать частично защитные пленки и способствовать чрезмерной локальной коррозии. Скорость коррозии в системах питьевой воды в значительной степени ограничена проводимостью питьевой воды (которая обычно низкая). Ни кислотность, ни CSMR очищенной воды не были отмечены в течение месяцев, предшествовавших выбросу свинца в водораздел и окончательному выявлению уровней свинца в воде.
Кроме того, Флинт принял политическое решение не использовать фосфатные кислоты. на основе ингибиторов коррозии с целью экономии затрат. Фосфатная обработка предназначена для ограничения высвобождения свинца из-за образования на стенках труб нерастворимой пленки фосфата свинца с низким содержанием свинца. Хотя у добавления посторонних химикатов в питьевую воду есть свои плюсы и минусы (например, на ум приходит фторид), эффективность фосфата как ингибитора коррозии свинца хорошо известна и не подвергается сомнению. Во Флинте экономия затрат за счет отказа от ингибитора (~ 100 долларов в день) не была оправдана, учитывая возникший в результате кризис здоровья человека. В дополнение к неисчислимому ущербу, нанесенному качеству человеческой жизни, одни лишь денежные затраты подчеркивают безрассудство этого решения (сравните 100 долларов в день с 1 миллиардом долларов; см. Выше). Обращение к литературе или химическим диаграммам могло бы помочь прояснить, почему фосфат так важен.
Химическая термодинамика может объяснить
Химическая термодинамика может предсказать образование стабильных соединений на основе свинца на свинцовых трубах поверхности. Определенные соединения образуют полезные пленки, которые могут действовать как кинетические барьеры, препятствуя коррозии, и служат для связывания растворимого в других случаях свинца. Стабильное проявление пленки зависит от определенного химического состава равновесия, который важен для обработки фосфатом. Добавьте больше фосфата, и вы сможете удалить больше растворимого свинца, чтобы образовалась защитная пленка из фосфата свинца. Полностью удалите фосфат, и вы должны надеяться, что другие соединения свинца (карбонат свинца, сульфат, оксид и т. Д.) Могут удалить необходимый вам уровень свинца. Однако эти другие компоненты не могут достичь равновесной концентрации свинца ниже уровня действий EPA, равного 15 частям на миллиард (пунктирная горизонтальная линия на термодинамической диаграмме ниже). Только фосфатные соединения могут установить равновесные концентрации свинца ниже уровня действия свинца, установленного Агентством по охране окружающей среды. Но даже для того, чтобы сформироваться самый лучший масштаб, нужно время. Фосфатные анионы могут замедлять скорость коррозии, но это может только замедлять накопление свинца. Инженерам по коррозии необходимо изучить новые химические ингибиторы и агенты, изменяющие поверхность, которые могут оптимизировать защитное покрытие от накипи на стенке трубы.
Отравление свинцом в результате разрушения свинцовых труб является повсеместной угрозой, поскольку свинцовые трубы широко использовались в Соединенных Штатах. Вероятны будущие инциденты.
Некоторые утверждают, что вложения в научные исследования и моделирование не нужны, потому что трубы на основе свинца заменяются, хотя и за счет домовладельцев. Хотя полная замена линий обслуживания лидов — прекрасная цель, найти все источники свинца может быть сложно. Замена свинца в системах водоснабжения не означает просто замену свинцовых труб. Дополнительные источники свинца включают припой на основе свинца, используемый для соединения труб, коммерческую латунь, которая обычно содержит небольшое количество свинца, и ионы свинца, которые со временем впитываются в коррозионную пленку стальных труб. Кроме того, частичная замена свинцовых труб на сталь или медь может фактически увеличить выделение свинца из-за гальванической коррозии, процесса, при котором контакт между двумя разнородными металлами вызывает защиту одного и ускоренное разрушение другого (например, защита стали цинком в гальванизированных системах. но наоборот, свинец корродирует медью или сталью).
Путь вперед
Нам нужен свежий взгляд на то, что ждет нас впереди. Обычно предлагаемые стратегии предлагают ложное утешение, основанное на скудных проверках, практических правилах и общепринятых представлениях, а не на здравых научных принципах. Оценка рисков, основанная на научных данных, должна заменить нынешнюю зависимость от периодического отбора проб воды, который является неточным и часто слишком поздно для предотвращения стихийного бедствия. Текущий нечастый отбор проб не может уловить экспозицию, как это происходит. Он не может предсказывать, только диагностировать.
Менеджеры и регулирующие органы коммунальных систем водоснабжения должны быть обучены основам коррозии и иметь в своем распоряжении инструменты для прогнозирования рисков выброса свинца. Система прогнозирования коррозии свинца позволит регулирующим органам и менеджерам предвидеть проблемы и управлять риском состояния воды, связанным с неприемлемым выбросом свинца. Такие структуры могут генерировать оценки риска на основе динамических данных о химическом составе воды, скорости реакции, образовании накипи и механизмах коррозии ингибитора, а также о застое и потоке воды. Существующие в настоящее время каркасы скелета используются для принятия решений по очистке воды на основе ограниченных критериев, таких как pH воды и растворенный неорганический углерод (см. Пример из EPA, цитируемый ниже). Эти решения, вероятно, основаны на многолетнем анекдотическом опыте и, вероятно, в большинстве случаев дают хорошие результаты.
В конечном итоге, целостные, кинетические модели, которые включают скорость высвобождения свинца из всех возможных источников во многих реальных условиях эксплуатации, необходимы. Первопричину водного кризиса во Флинте можно найти на стыке материаловедения, науки о поверхности, химии воды и электрохимии. Нам необходимо лучше понять научные факторы, определяющие выброс свинца, и это начинается с лучшей стратегии тестирования и более полного понимания некоторых фундаментальных истин. Более информированное общество может предотвратить такие бедствия в будущем за счет улучшенной оценки рисков, включая, в частности, прогнозирование факторов, влияющих на выбросы свинца, и управление ими. Мы все должны сыграть свою роль в предотвращении будущих бедствий, связанных с отравлением свинцом.
Джон Скалли — профессор инженерных наук Университета Вирджинии и содиректор Центра электрохимических наук и инженерии. Раймонд Сантуччи — доцент Военно-морской академии.
Для тех, кто хочет больше узнать о кризисе воды во Флинте и повсеместной угрозе свинца в питьевой воде, обращайтесь:
- Джон Р. Скалли , «Коррозионный кризис во Флинте, штат Мичиган: призыв к совершенствованию технологий», в «Проблемы на стыке технологий и политики», под ред. Рональд М. Латанисион, специальный выпуск, Мост 46, вып. 2 (1 июля 2016 г.), https://www.nae.edu/155382/The-Corrosion-Crisis-in-Flint-Michigan-A-Call-for-Improvements-in-Technology- (доступ 20 сентября,
- CORROSION назначает «выбор редактора» открытый доступ к ключевым статьям, связанным с водным кризисом во Флинте, штат Мичиган JR Scully, Corrosion Journal Национальная ассоциация инженеров по коррозии, 2016 [19659024] Раймонд Дж. Сантуччи-младший и Джон Р. Скалли, «Распространенная угроза свинца (Pb) в питьевой воде: выявление и изучение научных факторов, влияющих на выброс свинца», Труды Национальной академии наук ] 117, вып. 38 (сентябрь 2020 г.), https://www.pnas.org/content/117/38/23211 (дата обращения 20 сентября 2021 г.)
- «Поправка для Сантуччи-младшего и Скалли,« Распространенная угроза свинца ». (Pb) в питьевой воде: разоблачение и изучение научных факторов, определяющих выброс свинца », Proceedings of the National Academy of Sciences 118, no. 34 (август 2021 г.), https://www.pnas.org/content/118/34/e2112469118 (по состоянию на 20 сентября 2021 г.)
- «Технические рекомендации по оценке оптимальной обработки для контроля коррозии для первичных агентств и общественных систем водоснабжения. , ” Агентство по охране окружающей среды EPA 816-B-16-003
Сообщение« Кризис с кремневым свинцом — один из примеров того, как электрохимия влияет на доступность чистой воды », впервые появилось в Global Water Blog.
