LA MOLECOLA DELL'ACQUA QUESTA SCONOSCIUTA

Le 66 proprietà “anomale” della molecola d’acqua


Benché sia la molecola più comune e a noi più familiare, l'acqua è un elemento che non manca mai di stupire. Presenta una struttura molecolare semplicissima: due atomi d'idrogeno legati a uno di ossigeno, eppure è ancora un rompicapo. Secondo una ricerca coordinata dagli Stati Uniti (con l'acceleratore Slac, gestito per il dipartimento dell'Energia dall'università di Stanford) e condotta in collaborazione con università Svedesi e Giappone, l'acqua avrebbe 66 proprietà "anomale".

Diversamente da tutti gli altri liquidi, l'acqua raggiunge la sua massima densità a 4°C, ed essa diminuisce sia che si vada sopra o sotto la soglia dei 4°C, differentemente a molti altri materiali per i quali temperature rigide portano ad un aumento di densità, mentre il calore la diminuisce;

L'acqua è in grado di immagazzinare una grande quantità di calore, cosa che rende stabili le temperature degli oceani, o che ad esempio consente ai radiatori di scambiare efficacemente il calore accumulato da un motore;

La tensione superficiale dell'acqua è molto alta, rendendo più facile il trasporto dell'acqua negli alberi anche a grandi altezze;

Allo stato solido, può assumere diverse forme, come il ghiaccio vetroso o del ghiaccio amorfo. Allo stato liquido il discorso non cambia, potendo trovare acqua "standard", pesante, superpesante, superfredda, leggera.

"Capire queste anomalie è molto importante perchè l'acqua è la base fondamentale della nostra esistenza: niente acqua, niente vita" afferma Anders Nilsson, uno dei partecipanti alla sperimentazione sull'acqua condotta dal Dipartimento dell'Energia americano in collaborazione con diverse università svedesi e giapponesi. "Il nostro lavoro aiuta a spiegare queste anomalie a livello molecolare a temperature che sono rilevanti per la vita".

Sottoponendo un campione di acqua liquida ai raggi-X è stato scoperto che, a temperatura ambiente, le molecole assumono due strutture: una molto disordinata, e un'altra molto ordinata, tetraedrica. In particolare, la struttura ordinata esiste in gruppi di circa 100 molecole, attorno ai quali sono presenti molecole disposte in maniera disordinata. Il liquido è quindi una formazione mista, composta da entrambe le strutture.

Aumentando la temperatura, i gruppi ordinati diventano sempre più rari, ed aumenta il disordine nelle regioni popolate da molecole che non appartengono a nessuna struttura.

Questa scoperta, per quanto possa sembrare priva di molta importanza se non accademica, consente di spiegare stati dell'acqua molto raffinati, come l'acqua "superfredda", una condizione in cui l'acqua, nonostante sia sottoposta a temperatura inferiore agli 0°C, non congela ma rimane liquida Questi stati fuori dall'ordinario sono il futuro della tecnologia ambientale, spaziale, ospedaliera, farmacologica, e via dicendo, perchè aprono panorami finora nemmeno immaginati in diversi campi di ricerca. E spiega anche alcune proprietà misteriose dell'acqua.

La densità dell'acqua a 4°C può essere spiegata con una presenza maggiore di strutture disordinate, che hanno una densità maggiore rispetto a quelle ordinate (che sono meno dense perchè sono disposte secondo una struttura che lascia molti "spazi vuoti" tra le molecole). Aumentando la temperatura, il disordine cresce, diminuendo la densità dell' acqua; se la temperatura diminuisce oltre i 4°C, le strutture ordinate, meno dense delle aree disordinate, aumentano di numero, diminuendo ugualmente la densità.

Per quanto riguarda la capacità di immagazzinare calore, dipende anch'essa dal disordine delle molecole: più aumenta la temperatura, più cresce la percentuale di molecole nelle regioni disordinate, aumentando anche la capacità di assorbire il calore. Infine, la tensione superficiale viene spiegata grazie ai forti legami che l'acqua è in grado di sviluppare con l'idrogeno.

"Se non comprendiamo la materia primaria della vita, come possiamo studiare altre sostanze complesse - come le proteine - che sono immerse nell'acqua?" dice Congcong Huang, ricercatore che ha condotto l'esperimento ai raggi-X "Dobbiamo capire la parte semplice prima di passare a quella complessa".

OSSIDO DI ALLUMINIO MODIFICATO PER PURIFICARE L'ACQUA

Purificare le acque sostituendo un atomo


Sostituendo un unico atomo nel composto comunemente utilizzato per purificare l’acqua, l’ossido di alluminio, i ricercatori Sandia National Laboratories hanno creato un decontaminante più efficace e con una durata superiore ai prodotti in uso, attualmente sul mercato.

Il nuovo materiale, che è appena stato brevettato, rimuove la carica batterica, virale e altri contaminanti organici e inorganici dall’acqua di fiume destinata al consumo umano e dagli impianti di trattamento delle acque reflue, prima che siano reimmesse nell'ambiente.

“Il consumo umano di acqua potabile sta aumentando in tutto il mondo e le forniture diventano più scarse, ” ha detto May Nyman ricercatrice dei laboratori Sandia ” I progressi tecnologici come questo possono aiutare a risolvere i problemi di trattamento delle acque sia nei paesi sviluppati che nei paesi in via di sviluppo. ”

Lo studio è stato pubblicato sull’Environmental Science & Technology (una pubblicazione di American Chemical Society) e riportato su Chemical & Engineering News.
“Il nuovo reattivo per il trattamento delle acque, noto come coagulante, presenta la sostituzione di un atomo di gallio al centro di un cluster di ossido di alluminio, il coagulante più comunemente utilizzato nella depurazione delle acque” dice Nyman.

La sostituzione non verrà eseguita atomo per atomo ma piuttosto si utilizza un semplice processo chimico: si sciolgono i sali di alluminio nell'acqua, e il sali di gallio in una soluzione di idrossido di sodio e quindi, lentamente, si aggiunge la soluzione di idrossido di sodio alla soluzione di alluminio durante il riscaldamento. “La sostituzione chimica di un atomo di gallio per un atomo di alluminio è stata studiata dai collaboratori del Sandia all'Università della California a Davis.

“ La sostituzione di un solo atomo con uno di gallio in tali composti fa una grande differenza, ” dice Nyman. “Si migliora la stabilità e l'efficacia del reattivo. Noi abbiamo fatto numerosi test confrontandolo con una varietà di prodotti commercialmente disponibili. Il nostro prodotto è il migliore in un’ampia gamma di condizioni. ”

“Gli effetti sono di grande portata”, lei ha detto, “quando si tratta di una fonte di acqua naturale come un fiume.”

MENBRANE SEPARATRICI DA ZEOLITI SINTERIZZATE

Purificare con la zeolite


La capacità di separare e purificare specifiche molecole in una miscela è un requisito essenziale per la produzione chimica. Molte separazioni industriali si basano sulla distillazione, un processo che è facile da progettare e attuare, ma che consuma molta energia. Un altro metodo, più economico, utilizza i cristalli di zeolite.

Le zeoliti sono alluminosilicati con varie strutture cristalline, con unità base di natura tetraedrica (AlO4 e SiO4 sono le molecole base), che contengono cavità occupate da ioni e/o molecole di acqua, che permettono lo scambio ionico e molecolare (le cavità sono comprese tra i 3 ed i 10 Angstrom). La loro elevata superficie interna permette una grande capacità di scambio (meccanismo di adsorbimento e deadsorbimento a riproducibilità elevata).

Le caratteristiche chimiche e chimico-fisiche che garantiscono la specificità verso alcune molecole, la resistenza al calore, tra le altre cose le rendono materiali molto usati in industria (agenti essiccanti, agenti depuranti, ecc.).

Però, fino ad oggi, la zeolite è poco utilizzata per produrre membrane da utilizzare per le separazioni, in quanto durante il processo di produzione inevitabilmente si creano delle fessure nel cristallo. Questi difetti hanno impedito alla zeolite di essere utilizzata efficacemente come membrana, perché le molecole indesiderate rifiutate dai pori della zeolite possono ancora penetrare attraverso le imperfezioni.

Anche se è possibile correggere alcuni di questi difetti, il processo di riparazione è difficile e costoso. Attualmente tali membrane hanno trovato impiego solo in applicazioni specializzate, su scala ridotta, come ad esempio nell'eliminazione di acqua da alcoli o altri solventi.

I ricercatori dell'University of Minnesota, guidati dall'ingegnere chimico Michael Tsapatsis, hanno sviluppato un trattamento di riscaldamento rapido per rimuovere i difetti strutturali nella sintesi di membrane di zeolite.

Il team di Tsapatsis ha pubblicato questa scoperta sul numero del 31 luglio di Science.

Questa scoperta potrebbe consentire la produzione economica di solventi chimici come xilene e biocarburanti rinnovabili come etanolo e butanolo.

Il team di Tsapatsis ha sviluppato un trattamento chiamato Rapid Thermal Processing (RTP), un trattamento in cui la zeolite è riscaldata a 700 gradi Celsius entro un minuto e conservata a tale temperatura per non più di due minuti. Questo metodo innovativo perfeziona la struttura granulare del cristallo.

Quando i ricercatori hanno esaminato la membrana trattata RTP, non hanno trovato alcuna traccia di fessurazioni. Anche se hanno trovato altri tipi di difetti, questi non sembrano influire sulla proprietà o prestazioni della membrana.

"Abbiamo osservato un forte miglioramento nella capacità di separazione delle membrane trattate con RTP" commenta Tsapatsis, "le prestazioni sono ad un livello paragonabile ai metodi di separazione attuali dell'industria".

I ricercatori hanno dimostrato la validità del processo RTP su membrane relativamente spesse (diversi micrometri). Tsapatsis e collaboratori stanno adesso lavorando per produrre membrane da 10 a 100 volte più sottili in modo da consentire un flusso più rapido.

NUOVA VALUTAZIONE DI RISCHIO NELL'USO DEI PESTICIDI

Sicurezza: dall'EFSA una nuova valutazione del rischio per i pesticidi


L'EFSA ha avviato una consultazione pubblica per la valutazione dei rischi derivanti dall'uso di pesticidi per lavoratori, operatori, astanti e, per la prima volta, residenti. Da questa consultazione si potrà offrirà ai gestori del rischio uno strumento che consentirà loro di effettuare una valutazione armonizzata e stime più precise del rischio di esposizione ai pesticidi.

Il gruppo di esperti scientifici sui prodotti fitosanitari e i loro residui (PPR) dell'EFSA ha proposto di apportare una serie di modifiche alle prassi correnti nell'ambito della valutazione dell'esposizione ai pesticidi attraverso il contatto con la pelle e l'inalazione. In particolare, il gruppo ha introdotto una valutazione supplementare del rischio. Il gruppo ha dichiarato che per questo tipo di valutazione sarà necessario specificare un nuovo valore tossicologico di riferimento: un livello acuto accettabile di esposizione degli operatori (AAOEL).

Tale valore può essere utilizzato come riferimento per stime realistiche dell'esposizione nella stessa giornata per operatori, lavoratori e astanti. Non vi è necessità di una valutazione separata del rischio acuto per i residenti, in quanto verrà presa in esame nell'ambito della valutazione del rischio acuto per gli astanti. Il gruppo di esperti scientifici PPR dell'EFSA ha precisato che tali modifiche consentiranno una migliore tutela di questi gruppi tramite il miglioramento dell'attuale metodo di valutazione del rischio e delle stime statistiche degli scenari di esposizione. La disponibilità di un metodo armonizzato garantirà omogeneità tra gli approcci adottati dalle autorità di regolamentazione a livello di UE.

Inoltre, il gruppo ha elencato una serie di opzioni corrispondenti ai diversi livelli di tutela di cui i gestori del rischio possono tenere conto al momento della regolamentazione dell'impiego sicuro dei PPP. Nella bozza del documento si raccomanda di svolgere ulteriori studi per ridurre le attuali incertezze per gli scenari in cui le stime dell'esposizione sono meno attendibili. Per alcuni scenari, i dati disponibili relativi all'esposizione sono particolarmente limitati, pertanto ulteriori studi risulterebbero utili per migliorare le attuali conoscenze (ad esempio studi sull'esposizione dei lavoratori per scenari di ispezione delle colture, specialmente per i cereali, e per attività post-raccolto come il confezionamento di ortaggi).

Questo parere del gruppo di esperti scientifici PPR concernente la "Preparazione di un documento orientativo per la valutazione dell'esposizione ai pesticidi per lavoratori, operatori, astanti e residenti" è ora disponibile sul sito internet dell'EFSA per la consultazione pubblica e i commenti fino al 15 settembre 2009. Tutte le parti interessate sono invitate a presentare i propri commenti di cui verrà tenuto conto per l'ultimazione del parere entro la primavera del 2010. Il parere farà parte del primo documento orientativo di questo tipo destinato a essere utilizzato nell'ambito della valutazione del rischio a scopo di regolamentazione dei prodotti fitosanitari nell'Unione europea (UE), che sarà ultimato dalla Commissione europea e dagli Stati membri.

Fonte: EFSA

ISOPRENE NELL'ARIA,AEROSOL INQUINANTI DALLE PIANTE

Una nuova ricerca mostra che i composti organici del carbonio rilasciati dagli alberi influiscono sulla qualità dell'aria. Alcuni scienziati provenienti da Danimarca, Nuova Zelanda e Stati Uniti hanno scoperto che l'ossidazione dell'isoprene, un idrocarburo, genera prodotti allo stadio gassoso e aerosol che hanno un impatto sul riscaldamento globale. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science.

L'isoprene (che si forma naturalmente e che è un precursore dell'ozono) viene emesso da molti alberi a foglie decidue, tra i quali le querce danno il contributo maggiore. Le emissioni globali di isoprene dalle piante sono stimate in oltre 500 teragrammi ogni anno.

In un articolo correlato, il dott. Tadeusz Kleindienst, un chimico dell'atmosfera dell'Environmental Protection Agency (EPA), ha spiegato che l'isoprene "è l'idrocarburo più importante dopo il metano". Il tempo di reazione dell'isoprene con i radicali ossidrile (OH), che sono considerati dai ricercatori i "detergenti dell'atmosfera", è molto breve.

"Se si mescolano emissioni provenienti dalla città con emissioni provenienti dalle piante, esse interagiscono fino ad alterare la composizione chimica dell'atmosfera" ha spiegato il leader del progetto Paul Wennberg, docente di Chimica atmosferica e scienze ambientali presso il California Institute of Technology (Caltech) negli Stati Uniti. "C'è molto più isoprene tra le emissioni nell'atmosfera rispetto a tutti gli altri gas (benzina, prodotti chimici industriali) rilasciati da attività umane, con l'importante eccezione del metano e del biossido di carbonio."

Gli scienziati hanno condotto una serie di test di laboratorio che mostrano che, quando le concentrazioni di monossido di azoto (NO) sono basse (simili ai livelli trovati in aree prevalentemente disabitate), l'ossidazione dell'isoprene da parte degli OH produce sostanziali quantità di idroperossido ossidrilico. L'OH ossida ulteriormente l'isoprene e genera sostanze chimiche chiamate diidroperossidi (conosciute anche come epossidi), che si convertono in aerosol.

L'autore principale, Fabien Paulot, uno studente specializzando del Caltech e i suoi colleghi hanno prodotto epossidi ponendo isoprene e perossido di idrogeno in un sacco di Teflon contenente 800 litri di aria non inquinata. Dopo aver introdotto isoprene e perossido di idrogeno (come fonte di OH) hanno illuminato la miscela con luce ultravioletta (UV) la quale ha innescato le reazioni chimiche.

Secondo i ricercatori, gli epossidi così ottenuti sono molto solubili e si dissolvono facilmente in gocce di umidità nell'aria, formando effettivamente aerosol ricchi di materiale organico.

"Questi epossidi sono una colla naturale" ha commentato il professor Wennberg. "Quando questi epossidi si scontrano con particelle acide, formano la colla. Gli epossidi precipitano fuori dall'atmosfera e si attaccano alle particelle, facendole crescere e causando una minore visibilità nell'atmosfera."

Gli scienziati hanno ribadito che la trasformazione degli epossidi in aerosol è di solito maggiore in ambienti inquinati, perché l'acidità degli aerosol è generalmente maggiore in presenza di attività umane.

Che impatto hanno queste particelle? Secondo il professor John Seinfeld del Caltech, "È stato dimostrato che esse hanno conseguenze per la salute umana perché sono abbastanza piccole da penetrare in profondità nei polmoni.

"Inoltre gli aerosol condizionano il clima della Terra attraverso la dispersione e l'assorbimento delle radiazioni solari e perché costituiscono i nuclei attorno ai quali si formano le nuvole. È quindi importante sapere da dove vengono queste particelle".

Questa scoperta può aiutare gli scienziati a sviluppare modelli di chimica globale di gas-arosol e i ricercatori a capire meglio come funziona la chimica dell'isoprene nelle zone più remote del mondo.

"L'aspetto più importante del lavoro di Paulot et al. è forse il suo valore pratico" ha detto il dott. Kleindienst. "I modelli di qualità dell'aria per la formazione secondaria di aerosol organico usati dagli enti di controllo, come l'EPA negli Stati Uniti, sono generalmente limitati nel loro potere di fare previsioni perché si basano su esperimenti che danno una produzione di aerosol parametrizzata a partire da composti reagenti precursori".

"Mettere insieme i meccanismi chimici derivati dagli studi sperimentali del dott. Paulot et al. e i modelli deterministici di chimica dei gas-aerosol dovrebbe contribuire a migliorarne le capacità di fare previsioni."

Tra gli altri partecipanti allo studio ricordiamo l'Università di Copenhagen in Danimarca e l'Università di Otago in Nuova Zelanda.

Fonte: Cordis

LE SOSTANZE TOSSICHE E CANCEROGENE NELLE ACQUE, QUESTE SCONOSCIUTE

MICROCONTAMINANTI

Per sostanze tossiche o veleni si intendono quelle sostanze che, una volta entrate nell'organismo, provocano immediatamente oppure a medio o lungo termine, disturbi ad una o più parti e funzioni dell'organismo, fino a provocare, a volte, la morte.
Non è possibile, per tutte le sostanze, porre un limite ad esempio tra tossico e alimento o addirittura medicamento.
Infatti certe sostanze che sono indispensabili all'organismo, in determinate quantità, come zinco, fluoro,ecc., sono contemporaneamente tossiche se somministrate in concentrazioni elevate . Lo stesso dicasi per certi alimenti come ad esempio gli alcoolici, la caffeina ecc.Quindi il giudizio analitico su questo gruppo di sostanze richiede molta competenza.
L'acqua potabile, a causa del massiccio inquinamento delle acque superficiali, può divenire una via di penetrazione delle sostanze tossiche e pertanto dovrà essere posta grande attenzione al riguardo in sede analitica.
Nelle acque superficiali da destinare ad uso potabile, le quantità di sostanze tossiche presenti non sono mai eccessive,a meno di scarichi industriali accidentali, ma in piccole quantità ed è per questa ragione che vengono indicate col nome di microcontaminanti.
In sintesi la microcontaminazione dell'acqua è provocata da: composti organici, quali arsenico, bario, cadmio,cromo, piombo, selenio,mercurio,zinco,idrocarburi aromatici policiclici, pesticidi e composti organoclorurati..
Caratteristiche fisiche: la radioattività.

ARSENICO
L'arsenico, se presente nelle acque da adibire ad uso potabile a causa della presenza di insetticidi o da scarichi industriali, non può superare la concentrazione di 0,05 mg/litro.
A dosi crescenti provoca diaree, è veleno del cuoree dei vasi, ed è cancerogeno.
Gli impianti tradizionali di trattamento non lo eliminano, per questa ragione il limite nelle acque da adibire ad uso potabile è lo stesso di quello stabilito per l'acqua potabile; 0,05 mg/litro.
Gli impianti di trattamento che prevedono come fase finale la filtrazione su carbone attivo fanno registrare notevoli diminuzioni nel contenuto di microinquinanti nell'acqua e quindi anche di arsenico.

BARIO
Il bario non è ammesso sia presente nelle acque potabili in concentrazioni superiori a 0,1 mg/litro.
Proviene da scarichi industriali e, nonstante sia, in piccole quantità, stimolante del muscolo cardiaco, classificato tra i veleni del sistema nervoso centrale.Anche gli impianti di trattamento che prevedono, dopo la coagulazione sedimentazione e la filtrazione lenta su quarzite, la filtrazione su carbone attivo, fanno registrare delle modeste riduzioni del contenuto di bario.

BIOCONCENTRAZIONE E BIOACCUMULO DEI METALLI PESANTI NEGLI ORGANISMI ACQUATICI

L'accumulo dei metalli da parte degli organismi acquatici, costituisce una componente fondamentale di molte valutazioni condotte dalle agenzie ambientali governative(ANPA 2000); in tali indagini , i valori dei fattori che esprimono quantitativamente tale accumulo sono considerati come un'espressione della potenzialità dei metalli di determinare un effetto avverso, cioè una alterazione delle caratteristiche strutturali/funzionali degli organismi.
In particolare, tali valori sono utilizzati come predittori della tossicita' cronica e come indicatori dell'intossicazione secondaria, cioè del danno che il metallo potrebbe detrminare in un organismo di elevato livello trofico per effetto della loro biomagnificazione.

I valori dei fattori che esprimono l'accumulo sono utilizzati anche per stabilire la priorità degli inquinanti da considerare nelle normative ambietali (UE 2000) e per analisi a livello di screening nella procedura di valutazione del rischio ecologico..Infine,congiuntamente alla persistenza nell'ambiente acquatico e alla tossicità acuta, l'accumulo viene utilizzato per identificare il pericolo di una sostanza, cioè per definire una proprieta' o una situazione che ha la potenzialità di causare, a medio-lungo termine, un effetto per gli organismi(approccio PBT= Persistence,Bioaccumulation,Toxicity).

L'accumulo può essere spresso da vari indicatori.La bioconcentrazione rappresenta l'accumulo netto nell'organismo di un elemento/sostanza, come risultato dell'esposizione all'elemento/sostanza presente nell'acqua; il bioaccumulo è invece l'accumulo netto di un elemento/sostanza nell'organismo come risultato dell'esposizione a tutte le possibili sorgenti (acqua, cibo) in cui si trova l'elemento/sostanza.
a biomagnificazione infine rappresenta l'incremento della concentrazione di un elemento/sostanza negli organismi dei livelli trofici più elevati come conseguenza dell'ingestione di organismi di livelli trofici inferiori (US EPA 2004).

FATTORI DI CONCENTRAZIONE
Per esprimere quantitativamente l'entità del bioaccumulo, della bioconcentrazione e della biomagnificazione si utilizzano dei fattori di concentrazione: il fattore di bioaccumulo(BAF) è il valore del rapporto tra la concentrazione dell'elemento nell'organismo e quella nell'acqua e nel cibo; il fattore di bioconcentrazione (BCF) è il valore di del rapporto tra la concentrazione dell'elemento nell'organismo e quello nell'acqua; il fattore di biomagnificazione (BMF) è il valore che esprime quanto la concentrazione dell'elemento in un organismo di un dato livello trofico superiore in concentrazione nel livello trofico inferiore.
I fattori di concentrazione rappresentano il più semplice modello per valutare l'accumulo : si tratta infatti di un modello a un solo compartimento che prevede la ripartizione dell'elemento/sostanza tra un mezzo di esposizione e un organismo e che ipotizza che l'accumulo/eliminazione possono essere descritti da ratei costanti mediante semplici equazioni.