Onderzoekers ontwikkelen snellere methode voor het reageren op gevaarlijke morsingen

Effectieve reactie op gevaarlijke chemische morsen

Bij het reageren op gevaarlijke morsen telt elke seconde—en onderzoekers van de Purdue Universiteit hebben een manier gevonden om die tijd te maximaliseren.

Een onderzoeksteam onder leiding van Nusrat Jung, assistent-professor aan de Lyles School of Civil and Construction Engineering, heeft een nieuwe snelle screeningsmethode ontwikkeld om vluchtige chemicaliën te testen. Deze nieuwe methode, beschreven in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Science of The Total Environment, kan in verschillende scenario’s van gevaarlijke morsen worden gebruikt om hulpverleners sneller resultaten te bieden bij het controleren op chemicaliën in de bodem, water en lucht.

“De meest cruciale tijd na een gevaarlijke mors is de periode direct na het voorval,” zei Jung. “Ons team wilde een methode ontwikkelen die eerste hulpverleners en onderzoekers een snelle en nauwkeurige beoordeling biedt, zodat zij een snellere actieplan kunnen vormen om de mors beter te beheersen en de omliggende gemeenschappen en het milieu te beschermen.”

In de Verenigde Staten komen gevaarlijke chemische incidenten—waaronder branden, explosies en chemische vrijlatingen—regelmatig voor. Gemiddeld doen zich deze incidenten elke twee dagen voor volgens de Coalition to Prevent Chemical Disasters. Tussen 2004 en 2014 waren er ongeveer 172.000 chemische morsen die waterlichamen beïnvloedden. In de afgelopen 20 jaar hebben honderdduizenden chemische incidenten invloed gehad op drinkwatervoorraden.

“De toenemende frequentie van gevaarlijke chemische incidenten in de Verenigde Staten vereist de implementatie van analytisch robuuste, snelle en betrouwbare screeningstechnieken voor de analyse van giftige mengsels om de korte- en langetermijneffecten van milieubelasting op de gezondheid te begrijpen,” zei Jung. “In noodsituaties zoals deze is elke extra seconde die wordt bespaard van onschatbare waarde.”

Afhankelijk van de complexiteit van een incident kunnen experts van buiten het gebied worden geraadpleegd, maar de respons wordt altijd geïnitieerd door de lokale hulpdiensten. Als een ramp de lokale capaciteiten overstijgt, kan hulp van staats- en federale instanties worden aangevraagd.

Een recent groot chemisch ongeluk in East Palestine, Ohio, heeft het belang van grondige vervuilingsbeoordeling onderstreept, aldus Jung. Op 3 februari 2023 leidde een trein ontsporing tot een chemische mors en branden. Drie dagen later werd een open verbranding uitgevoerd waarbij meer dan 100.000 gallons vinylchloride betrokken waren. Gevaarlijke verbindingen kwamen vrij in lucht, water en bodem.

“Mijn medewetenschappers en ik zagen een situatie die helaas weer zal gebeuren—waarschijnlijk in de nabije toekomst,” zei Jung. “Het was duidelijk dat het verstrekken van hoogwaardige gegevens aan eerste hulpverleners zo snel mogelijk onze grootste troef was, na de mors.”

Om tijdgevoelige blootstellingsgegevens voor noodreacties te bieden, heeft het team van Jung een nieuwe methodologie uiteengezet voor de snelle karakterisering van chemische vervuiling van milieumedia ter ondersteuning van rampenresponsinspanningen. Een gecontroleerd statisch hoofdruimte-sampling systeem, in combinatie met een hoge-resolutie protonoverdracht-reactietijd-vluchtmassaspectrometer, werd ontwikkeld om vluchtige organische verbindingen (VOCs) in oppervlaktewatermonsters te karakteriseren die nabij de treinontsporing in East Palestine waren verzameld.

Ruimtelijke variaties werden waargenomen in de chemische samenstelling van oppervlaktewatermonsters die op verschillende locaties waren verzameld. Koolwaterstoffen bleken de meest voorkomende chemische groep te zijn in alle oppervlaktewatermonsters, goed voor 50% tot 97% van de totale VOC-massa in de hoofdruimte. Verbindingen die vaak in oppervlaktewatermonsters worden aangetroffen, zoals benzeen, styreen, xyleen en methyl tert-butylether, werden ook in de meeste monsters waargenomen, met aqueuze concentraties meestal op nanogram-per-liter niveaus.

“Snelle evaluatie van lucht-, water- en bodemvervuiling en de risico’s van menselijke blootstelling is cruciaal voor besluitvorming,” zei Jung. “Dit helpt ambtenaren om de blootstelling van de bevolking en milieuschade te minimaliseren. Een effectieve en betrouwbare aanpak voor het beoordelen van lucht-, water- en bodemvervuiling, en de daaropvolgende menselijke blootstellingen, is dringend nodig.”

Verbetering van de screeningsmethode

Historisch gezien zijn er verschillende technieken gebruikt om de samenstelling van lucht en water na chemische incidenten te monitoren, aldus Jung. Fotoionisatiedetectoren (PID’s) worden soms gebruikt voor het bemonsteren van vluchtige organische verbindingen vanwege hun lage kosten, draagbaarheid en relatief brede bereik.

In Ohio werd luchtmonsters genomen met PID’s door verschillende milieuagentschappen. Echter, Jung merkte op dat PID’s geen betrouwbare gegevens leveren over chemische belastingen in een omgeving, omdat ze niet in staat zijn om chemische verbindingen te specificeren, vluchtige chemische concentraties met één tot twee ordes van grootte kunnen onderschatten en gevoelig zijn voor signaalinterferentie door omgevingsvocht. PID’s reageren ook met verschillende gevoeligheden op verschillende VOC’s, en de prestaties van PID’s zijn slechts voor een beperkt aantal VOC’s geëvalueerd.

Een tweede benadering voor luchtmonsters is het gebruik van sorbentbuizen en -cans, gevolgd door offline analyse via thermische desorptiegaschromatografie (GC)-massaspectrometrie of GC-vlamionisatie-detectie. Dergelijke technieken bieden, aldus Jung, over het algemeen een slechte tijdsresolutie, kunnen leiden tot lange vertragingen in monsterverwerking en -analyse, en zijn niet schaalbaar voor multimedia-omgevingsmonsters in het veld.

“Om milieu- en volksgezondheidsrisico’s sneller te identificeren op een chemische rampenlocatie, zijn verbeterde monstername- en analysemethoden nodig,” zei Jung.

Om de monstername te verbeteren, heeft het team van Jung innovatieve online massaspectrometrie gebruikt voor de snelle karakterisering van de chemische vervuiling van oppervlaktewatermonsters die nabij de treinontsporing in East Palestine zijn verzameld. Specifiek werd protonoverdracht-reactietijd-vluchtmassaspectrometrie met hydronium als reagension gebruikt—een vorm van chemische ionisatiedetectie die is gebruikt voor online monitoring van VOC-concentraties in buiten- en binnenatmosferische omgevingen.

Het team van Jung voerde een uitgebreide reeks laboratoriumexperimenten uit om de robuustheid van de nieuwe snelle screeningsaanpak aan te tonen, die het meest gevoelig is voor vluchtige verbindingen die gemakkelijk van water naar lucht verplaatsen.

Van 27 februari tot 25 maart 2023 verzamelde het onderzoeksteam 20 oppervlaktewatermonsters van 16 locaties langs Sulphur Run, Leslie Run, Bull Creek, North Fork Little Beaver Creek en Little Beaver Creek nabij en rond de treinontsporing in East Palestine, allemaal binnen 24 tot 51 dagen na de treinontsporing. De monsters werden verzameld in hoofdruimte-vrije amber glazen potten met polytetrafluorethyleen-gekapselde deksels. Na het verzamelen van de monsters werden ze in een koelbox terug naar Purdue vervoerd en vervolgens opgeslagen totdat ze geanalyseerd werden.