Металлы в природных водах
Природные воды могут содержать много компонентов, некоторые из которых опасны для человека. В перечень тяжелых металлов в воде включают такие вещества как свинец, медь, ртуть, никель, кобальт. Необходимо избегать попадания этих соединений в организм в избыточных концентрациях. Для этого важно проводить своевременный анализ жидкости и ее очистку.
Откуда берутся загрязнения
К источникам нежелательных примесей относят выхлопные газы от автомобилей, отходы промышленных предприятий и продукты сжигания мусора. Однако не только человеческая жизнедеятельность становится причиной загрязнения, так как кислотные дожди и извержения вулканов могут привести к увеличению концентрации вредных соединений.
Влияние на человека
Тяжелые металлы в воде обладают повышенной биологической активностью и без особых проблем внедряются в организм человека, нарушая метаболизм и ухудшая иммунитет.
Медь вызывает заболевания костей и печени, а также может быть инициатором развития анемии. Кобальт также способствует анемии и вызывает дефицит витамина В12. Он же инициирует сердечную недостаточность и заболевания щитовидной железы. Повышенная концентрация цинка ослабляет иммунитет, приводит к появлению симптомов астмы и существенно повышает вероятность развития рака.
Ртуть нередко становится причиной хронических головных болей, нарушений психики, речи и общего снижения мозговой активности. Будучи токсичным для человека веществом, она действует на всю нервную систему.
Кадмий негативно влияет на работу почек и способен вызывать серьезные деформации костей. Свинец быстро накапливается в организме человека и не удаляется из воды даже при кипячении.
Описанные вещества обладают индивидуальными свойствами, определяющими их влияние на человека. При этом все они особенно опасны для детей, которые еще не имеют окрепшего здоровья. В ряде случаев металлы приводят к задержкам в развитии.
Большое количество металлов в организме становится отправной точкой для развития ряда серьезных заболеваний или даже мутаций.
Методы определения концентрации
Избежать серьезных проблем со здоровьем поможет своевременная проверка на наличие примесей с последующей очисткой жидкости. Лаборатории предлагают проверку при помощи самого современного оборудования.
Способы определения концентрации примесей:
• Атомно-эмиссионная спектрометрия. Процедура основана на изучении особенностей движения свободных атомов и ионов, испускаемых исследуемым веществом.
• Фотометрический анализ. Проверка способности поглощения электромагнитного излучения.
• Флуориметрический анализ. Изучение излучения, появляющегося при накоплении молекулами энергии и выделением ее избытка в окружающую среду.
В лабораториях чаще всего применяют фотометрический метод, который позволяет быстро получить всю необходимую информацию о составе жидкости. Выбор способа напрямую зависит от особенностей загрязнений и того, как именно будет использоваться вода в дальнейшем.
При проведении глубокого анализа воды на концентрацию тяжелых металлов надо правильно брать пробы. Если забор осуществляется из городской системы водоснабжения, то требуется дать воде около 10 минут слиться. Только после этого имеет смысл набирать образец в тару объемом от 1.5 л. Жидкость не должна храниться слишком долго, а все исследования проводятся в тот же день.
При работе со скважиной также потребуется предварительная прокачка. Причем на это может уйти около получаса. Забор воды из колодца подразумевает статистический подход с проверкой сразу нескольких ведер и формированием средних результатов.
Процедура очистки
Тяжелые металлы в питьевой воде удаляются несколькими способами. К тому или иному методу прибегают в зависимости от результатов анализа. Применяют как отдельные самостоятельные методики, так и комбинированные.
Эффективные способы удаления примесей:
• Химическое осаждение. Воздействие карбонатами, гидроксидами, сульфидами или комбинациями этих веществ.
• Электрохимическое осаждение. Проходит в электролизерах с использованием нерастворимых и растворимых электродов под действием электрического тока.
• Применение мембранного фильтра. Процессы обратного осмоса, ультрафильтрации и микрофильтрации, являющиеся частью глубокой очистки. Задерживают все нежелательные загрязнения и пропускают только чистую воду.
• Магнитное воздействие. Генерирование поля, которое притягивает ферромагнитные вещества и удерживает их.
Тяжелые металлы в природных водах представляются непростой проблемой, способной вызвать недомогания или даже стать причиной серьезных болезней. Важно своевременно провести необходимые анализы и подобрать подходящее решение в зависимости от назначения жидкости.
Раздел 4. Загрязнение водных экосистем
Е.А. Зилов
Гидробиология и водная экология
Учебное пособие. – Иркутск: Иркут. ун-т, 2007.
20. Консервативные токсиканты в водных экосистемах
20.1. Загрязнение вод металлами
Металлы принадлежат к числу главных неорганических загрязнителей пресных и морских вод. Это, в основном, соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути.
Острота проблемы загрязнения водной среды токсичными металлами определяется:
— высокой концентрацией соединений тяжелых металлов в прибрежных районах океана и внутренних морях;
— образованием высокотоксичных металлоорганических комплексов, которые как включаются в абиотический компонент экосистемы, так и поглощаются гидробионтами;
— накоплением металлов гидробионтами в дозах, опасных для человека.
Среди загрязняющих веществ по токсикологическим оценкам «стресс-индексов» тяжелые металлы занимают второе место, уступая только пестицидам.
Источники поступления
Основные источники поступления токсичных металлов в водную среду – прямое загрязнение и сток с суши. Только воды рек ежегодно привносят в океан свыше 320 Мт железа. Кроме того, важная роль в загрязнении гидросферы металлами принадлежит атмосферному переносу. Главные пути поступления металлов в Мировой океан приведены в таблице 29.
Естественное и антропогенное загрязнение Мирового океана, т год -1
На поверхность Мирового океана ежегодно выпадает по другим оценкам 200 кт свинца и 5 кт ртути. Вклад атмосферных выпадений свинца в его общий поток в Мировой океан в настоящее время уже превышает геохимический вклад этого элемента с речными стоками. Для кадмия поступления в океан за счет атмосферных выпадений и прямого стока с суши близки, а для ртути атмосферный поток составляет около 25% общего поступления в океанскую среду. Сейчас уже признано, что главным источником поступления тяжелых металлов в окружающую среду является не металлургическое производство, а сжигание угля. Ежегодное сжигание 2,4 млрд. т каменного и 0,9 млрд. т бурого угля рассеивает в окружающей среде 200 кт мышьяка и 224 кт урана, а мировое производство этих металлов составляет только 40 и 30 кт соответственно.
Как уже сказано выше, важную роль в загрязнении гидросферы металлами играют сточные воды. В таблице 30 приведено содержание металлов в бытовых и некоторых видах промышленных сточных вод.
Содержание металлов в промышленных сточных водах Нью-Йорка, средние концентрации в мкг л -1 (Jackson, 1991)
На пути от мест попадания в воду до океана значительная часть металлов оседает на дне рек. Пример приведен в таблице 31.
Концентрации тяжелых металлов в воде и осадках реки Рур в Эссене (Imhoff, 1991)
(мг кг –1 сухого веса)
Кроме того, значительная часть металлов на пути к океану задерживается в водоемах – как в их донных осадках (таблица 32), так и в биоте (таблица 33).
Поступление металлов в озеро Мичиган (т год -1 ) (Jackson, 1991)
Содержание тяжелых металлов в озере Балатон (Salanki, 1991)
Донные осадки (мг кг –1 сухого веса)
Esox lucius L.
Жабры (мг кг –1 сухого веса)
Мышцы (мг кг –1 сухого веса)
Печень (мг кг –1 сухого веса)
Естественно, что наибольшее загрязнение металлами приходится на моря и те части океана, где антропогенная активность высока. Более других загрязнены воды Персидского и Аденского заливов Индийского океана, экваториальная часть Тихого океана, воды течения Гольфстрим в Атлантике, Северное и Средиземное моря.
Токсичность тяжелых металлов
Токсичность тяжелых металлов для планктона определяется тем, что планктонные организмы (особенно фильтраторы) концентрируют металлы, которые ввиду своей неразложимости сохраняются в живых тканях неограниченное время, способствуют гибели планктонтов, а с отмершим планктоном оседают в донных отложениях. Кроме того, что они аккумулируются организмами, они концентрируются в пищевых цепях, что во многом, но не во всем определяет разную токсичность металлов для разных групп гидробионтов (таблица 34).
Степень токсичности ряда солей тяжелых металлов для некоторых водных животных
Мышьяк
Мышьяк широко распространен в содержащих фосфаты породах и соответственно встречается в виде примесей в фосфатных удобрениях или детергентах, производимых их этого сырья. Обычные формы мышьяка в природе: H3AsO3, As(OH)3, H3AsO4.
Некоторое количество мышьяка используется в качестве пестицида в виде арсенатов натрия и меди для опрыскивания плодовых деревьев. Но основными антропогенными источниками мышьяка являются сжигание угля и выплавка металлов. Если средние концентрации мышьяка в воздухе больших городов составляют 0,01–0,56 мкг м –3 , то вблизи плавильных предприятий (на расстоянии нескольких км) 1,5–7,9 мкг м –3 , а содержание мышьяка в летучей золе угольных электростанций составляет 43–312 мг кг –1 (Мышьяк, 1985).
Свинец
Ежегодно добывается примерно 3,5 Мт свинца, а с учетом повторного извлечения из отходов производство свинца составляет 4,1 Мт год-1.
Загрязнение природных вод и воздуха свинцом происходит в результате процесса обжига и плавки свинцовых руд с целью получения металлического свинца, за счет выбросов отходов с производств, использующих свинец, а также при сжигании угля, древесины и других органических материалов, включая городские отходы. Кроме того, значительные количества свинца попадают в окружающую среду благодаря использованию свинцовых труб для водопроводов и свинцово-кислотных аккумуляторов.
До сих пор серьезными источниками загрязнения окружающей среды остаются алкильные соединения свинца. Только за последние 40 лет примерно 10 Мт свинца переработано в тетраэтилсвинец, который используется в качестве антидетонаторной присадки в автомобильном бензине. Из антропогенных источников свинца этот считается важнейшим. Количество свинца, ежегодно попадающего в океан в результате применения алкилсвинца в качестве антидетонатора дизельного топлива, оценивается в 25 кт.
Pb(CH2CH3)4 добавляется в бензин, что позволяет двигателям работать при больших давлениях. В бензин добавляют также CH2Cl–CH2Cl и CH2Br–CH2Br. В результате сгорания топлива свинец попадает в атмосферу в виде аэрозольных частиц PbBrCl размером менее 2 мкм, попадающих в легкие и оседающих там.
Общее содержание свинца в водах Мирового океана составляет 2,8 Мт при средней концентрации 2 10-3 мкг л-1. В гидробионтах концентрация свинца варьирует в пределах 50-20 000 мкг кг-1 сырой массы.
Ртуть
Ртуть относится к числу наиболее токсичных металлов, чаще других встречаемых в окружающей среде. Ртуть – один из самых редких элементов с очень низким содержанием в земной коре. Она встречается в природе в виде красного сульфида, циннабара, черного сульфида и в виде жидкой ртути.
В окружающую среду ртуть поступает как из природных источников, так и из источников техногенного происхождения. Природная ртуть попадает в биосферу из относительно глубоких слоев земной коры благодаря вулканической, гео- и гидротермальной активности.
Главные антропогенные источники ртути:
§ сжигание ископаемого топлива;
§ выбросы промышленных предприятий, из которых наиболее важны сбросы сточных вод с электролизных фабрик по производству хлорощелочей и едкого натра и предприятий, где сульфат ртути используется в качестве катализатора;
§ использование в сельском хозяйстве различных биоцидов, содержащих ртутные соединения.
Было подсчитано, что в результате деятельности человека в окружающую среду ежегодно поступает до 10 кт ртути, из которых 3 кт – за счет сжигания ископаемого топлива. В морскую среду попадает около 5 кт ртути, общее ее количество в водах Мирового океана равно 10 Мт при средней концентрации 0,01-0,03 мкг л -1 .
Существуют бактерии, которые переводят минеральную ртуть в монометил (или метил) ртути (CH3Hg+) (см. рисунок 42).
Ртуть токсична для фитопланктона, поэтому загрязнение ртутью существенно снижает первичную продукцию морских экосистем. Фито- и зоопланктон аккумулирует ртуть в широком диапазоне концентраций 30-3 800 мкг кг-1 сухой массы, показатель аккумуляции ртути может превышать 40 000.
Рис 41. Поведение ртути в водной среде (до аккумуляции организмами).
Ее ПДС для водоемов принято не более 0,005 мг л -1 . В континентальных и океанических водах концентрация ртути составляет примерно 1 мкг кг -1 . Фактическое содержание ртути в водах рек промышленно развитых стран превышает ПДС в 2-4 раза, а содержание ее в тканях рыб нередко в 100-200 раз превышает таковое в природных водах. В тканях, например тунца, концентрация может достигать 120 мкг кг -1 .
Отходы, содержащие ртуть, обычно скапливаются в донных отложениях заливов или эстуариях рек. Дальнейшая ее миграция сопровождается накоплением метиловой ртути и ее включением в трофические цепи водных организмов (особенно крабов и рыб). Например, в канадских озерах Сент-Клэр концентрация ртути в рыбах составляла 2–4 мг кг -1 , в мышцах большой голубой цапли 23 мг кг -1 , в печени – 175 мг кг -1 (Рамад, 1981).
Кадмий
В природе кадмий, как правило, ассоциирован с цинком и их разделение экономически нерентабельно.
Ежегодно во всем мире добывается до 18 кт кадмия (Израэль, 1989). Кадмий широко используется в электронной промышленности, производстве пластмасс, красителей, растворителей. Наиболее известно его использование в никеле-кадмиевых аккумуляторах.
В окружающей среде кадмий присутствует в виде двухвалентного иона, осаждаемого в виде карбоната:
В кислой среде ионы кадмия освобождаются:
К основным антропогенным источникам поступления кадмия в окружающую среду относятся горнорудные и металлургические предприятия, а также сточные воды. Курение поставляет в окружающую среду 6–11 т кадмия ежегодно (Гадаскина, 1988).
Всего воды Мирового океана содержат примерно 140 Мт кадмия при средней концентрации 0,1 мкг л –1 . Кадмий накапливается водными животными, но не концентрируется в пищевых цепях (Израэль, 1989). Концентрация кадмия в разных гидробионтах изменяется от 50 до 550000 мкг кг -1 сухой массы. У некоторых видов устриц, например, коэффициент накопления кадмия равняется 318 000 (Эрхард, 1984).
Кадмий – один из самых опасных токсикантов. Токсичность кадмия связана со схожестью его химических свойств с цинком. При этом он связывается с серой более прочно, чем цинк и, следовательно, вытесняет цинк из многих ферментов, в которых тот используется как ко-фактор. Естественно, эти ферменты прекращают функционировать.
Влияние тяжелых металлов на гидробионтов и экосистему водоемов
Формы и источники поступления тяжелых металлов в природные воды. Физиологическая активность и показатели вредности. Сравнительный анализ биогеохимических свойств. Предельно допустимые концентрации металлов в водоемах санитарно-бытового использования.
| Рубрика | Химия |
| Вид | доклад |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 27.04.2014 |
| Размер файла | 49,4 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Ярославский Государственный Университет им. П.Г. Демидова
Кафедра физиологии человека и животных
Влияние тяжелых металлов на гидробионтов и экосистему водоемов
Исполнитель: Серов Д.А.
Студент группы Б-51
Проверил: к.б.н. Рябухина Е.В.
Ярославль 2013 г.
- 1. Тяжелые металлы. Формы. Свойства. Факторы, определяющие путь и интенсивность миграции
- 2. Свойства отдельных представителей
- 2.1 Ванадий
- 2.2 Висмут
- 2.3 Железо
- 2.4 Кадмий
- 2.5 Кобальт
- 2.6 Марганец
- 2.7 Медь
- 2.8 Молибден
- 2.9 Мышьяк
- 2.10 Никель
- 2.11 Олово
- 2.12 Ртуть
- 2.13 Свинец
- 2.14 Серебро
- 2.15 Сурьма
- 2.16 Хром
- 2.17 Цинк
1. Тяжелые металлы. Формы. Свойства. Факторы, определяющие путь и интенсивность миграции
Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.
Термин «тяжелые металлы», характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим, количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах.
В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).
В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н. Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.
Формально определению «тяжелые металлы» соответствует большое количество элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием и загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов далеко не равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ.
Так, в ставших уже классическими работах Ю.А. Израэля в перечне химических веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях в биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы поименованы Pb, Hg, Cd, As.
С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым металлам. По определению Н. Реймерса отдельно от тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn. [Мур Дж.В., Рамамурти С. 1987]
Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал, наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей.
Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.
Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах. Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной сред. Поэтому металлорганические комплексы способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния. Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно. [Афанасьева Л.С. 2006.; Мур Дж.В., Рамамурти С. 1987]
Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю свободных и связанных форм металла.
Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет три следствия:
1. может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за счет перехода его в раствор из донных отложений;
2. мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться от проницаемости гидратированных ионов;
3. токсичность металла в результате комплексообразования может сильно измениться.
Так, хелатные формы Cu, Cd, Hg менее токсичны, нежели свободные ионы. Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю связанных и свободных форм [Мур Дж.В., Рамамурти С. 1987].
Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами служат сточные воды гальванических цехов, предприятий горнодобывающей, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий. Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадение кислотных осадков способствует снижению значения рН и переходу металлов из сорбированного на минеральных и органических веществах состояния в свободное [Афанасьева Л.С. 2006].
Прежде всего, представляют интерес те металлы, которые в наибольшей степени загрязняют атмосферу ввиду использования их в значительных объемах в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.
Источники наличия тяжелых металлов в природных водах
Физические и химические свойства тяжелых металлов, нормирование их содержания в воде. Загрязнение природных вод в результате антропогенной деятельности, методы их очистки от наличия тяжелых металлов. Определение сорбционных характеристик катионитов.
Рубрика Экология и охрана природы Вид курсовая работа Язык русский Дата добавления 23.02.2014 Размер файла 1,2 M Ионитам и ионообменным мембранам, как средствам защиты окружающей среды от химического и радиоактивного загрязнений, принадлежит будущее. [4]
Основы процесса ионного обмена. Реакция ионного обмена протекает следующим образом:
при контакте с катионитом
RSO4H + NaCl -RSO4Na + HCl
при контакте с анионитом
ROH + NaCl - RCl + NaOH
Ионный обмен происходит в эквивалентных отношениях и в большинстве случаев является обратимым. Реакции ионного обмена протекают вследствие разности химических потенциалов обменивающихся ионов. В общем виде эти реакции можно представить следующим образом:
Ma + RmB - mRA + B
2.4 Ионообменные установки
В одноступенчатых ионитовых установках воду последовательно пропускают через группу фильтров с Н-катионитом, а затем через группу фильтров со слабоосновным анионитом; свободный оксид углерода (СО2) удаляется в дегазаторе, устанавливаемом после катионитовых или анионитовых фильтров, если они регенерируются раствором соды или гидрокарбоната. В каждой группе должно быть не менее двух фильтров. Через ионитовую установку пропускают лишь часть воды с тем, чтобы после смешения ее с остальной водой получить в опресненной воде солесодержание, отвечающее лимитам потребителя.
1 - Н-катионитовые фильтры;
3 - промежуточный резервуар;
4 - анионитовые фильтры.
Рис. 2.3 Схемы ионообменных установок периодического действия:
а - с проточной регенерацией; б - с оборотом части регенерата; в - с фракционированием регенерата; г - с «плавающим» фильтром; 1 - фильтры; 2 - эжектор; 3 - емкости для регенерата; 4 - емкости для промывных вод.
Рис. 2.4 Семы ионообменных установок:
а - периодического действия: 1 - колонна; 2 - решетка; 3 - слой ионита; 4-6 - распределители; 7 - бак с регенерирующим раствором; 8 - насос;
б - с намывным фильтром: 1 -корпус; 2 - фильтрующий элемент; 3 - емкость для приготовления суспензии ионита; 4 - насос; 5 - сборник отработанного ионита. [3]
Глава 3. Определение сорбционных характеристик катионитов
Иониты, в зернах которых при ионообменном процессе происходит обмен катионов, называют катионитами.
Энергия вхождения различных катионов в катионит по величине их динамической активности может быть охарактеризована для одинаковых условий следующим рядом: Na +
Каждый катионит обладает определенной обменной емкостью выражающейся количеством катионов, которые катионит может обменять в течение фильтроцикла. Обменную емкость катионита измеряют в грамм-эквивалентных задержанных катионов на 1 м3 катионита, находящегося в набухшем (рабочем) состоянии после пребывания в воде, т. е. в таком состоянии, в котором катионит находится в фильтре. Различают полную и рабочую обменную емкость катионита.
Полной обменной емкостью называют то количество катионов, которое может задержать 1 м3 катионита, находящегося в рабочем состоянии, до того момента, когда жесткость фильтрата сравнивается с жесткостью исходной воды.
Рабочей обменной емкостью катионита называют то количество катионов, которое задерживает 1 м3 катионита до момента «проскока» в фильтрат катионов. Рабочая обменная емкость катионита зависит от вида извлекаемых из воды катионов, соотношения солей в умягчаемой воде, значения рН, высоты слоя катионита, скорости фильтрования, режима эксплуатации катионитовых фильтров, удельного расхода регенерирующего реагента и от других факторов.
Обменную емкость, отнесенную ко всему объему катионита, загруженного в фильтр, называют емкостью поглощения.
Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, носят название ионитов. Они практически не растворимы в воде. Те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, называются катионитами, отрицательные ионы - анионитами. Первые обладают кислотными свойствами, вторые - основными. Если иониты обменивают и катионы, и анионы, их называют амфотерными.
Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной емкостью, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную, статическую и динамическую обменные емкости. Полная емкость - это количество поглощаемого вещества при полном насыщении единицы объема или массы ионита. Статическая емкость - это обменная емкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях. Она обычно меньше полной. Динамическая обменная емкость - это емкость ионита до «проскока» ионов в фильтрат, определяемая в условиях фильтрации. Динамическая емкость меньше статической. Характеристика основных марок ионитов представлена в таблице 3.1.
Для проведения экспериментальных работ по исследованию сорбционных характеристик катионитов необходимо приготовить раствор CuCl2х2H2O с концентрацией 3,6 ммоль/ литр, что превышает ПДК в 2,3 раза (ПДК Cu 2+ в водоемах хозяйственно-питьевом назначении =0,1 мг/л=1,56 ммоль/л). Для этого необходимо взвесить 1,23 гр. соли CuCl2х2H2O, перенести в мерную колбу на 2 л и довести до метки дистиллированной водой. [2]
Казанский национальный исследовательский технический университет
Кафедра общей химии и экологии
по дисциплине: Промышленная экология
на тему: Источники наличия тяжелых металлов в природных водах
студент гр. 3452
ассистент Галимова А.Р.
Глава 1. Свойства тяжелых металлов и их роль в экологии
1.1 Физические и химические свойства тяжелых металлов
1.2 Нормирование содержания тяжелых металлов в воде (ПДК)
1.3 Источники попадания тяжелых металлов в природные воды
Глава 2. Методы очистки природных вод от тяжелых металлов
2.1 Реагентный метод
2.3 Ионообменный метод
3.1 Методика определения меди фотоколориметрическим методом
3.2 Определение полной обменной емкости катионита КУ-2-8
3.3 Определение полной обменной емкости катионита КУ-1
3.4 Определение полной обменной емкости катионита ВИОН КН-1
Введение
Термин "тяжелый металл" относится к любому металлическому химическому элементу, который имеет относительно высокую плотность и токсичен или ядовит при низких концентрациях. Тяжелые металлы опасны, потому что они имеют тенденцию к биоаккумулированию. Биоаккумуляция означает увеличение концентрации химического элемента в биологическом организме, через какое-то время, по сравнению с концентрацией этого элемента в окружающей среде. Соединения тяжелых металлов накапливаются в живых существах, и накапливаются быстрее чем разрушаются или преобразуются.
Тяжелые металлы, поступая в водоемы, включаются в круговорот веществ и подвергаются различным превращениям. Неорганические соединения быстро связываются буферной системой воды и переходят в слаборастворимые гидроокиси, карбонаты, сульфиды и фосфаты, а также образуют металлорганические комплексы, адсорбируются донными осадками.
Главным природным источником тяжелых металлов являются породы (магматические и осадочные) и породообразующие минералы. Многие минералы в виде высокодисперсных частиц включаются в качестве акцессорных (микропримесей) в массу горных пород.
Удаление тяжелых металлов как токсикантов из природных вод является актуальной задачей.
Цель работы:
- анализ источников загрязнения и способов защиты окружающей среды, факторов воздействия на окружающую среду, технологического процесса (выбросы в атмосферу, сточные воды в гидросферу, твердые отходы),
- установление наиболее опасного и вредного фактора,
- анализ литературных данных по защите окружающей среды,
- выбор рациональных схем,
- расчетные соотношения технологических процессов, аппаратов и устройств в инженерной экологии,
- реализация экологизации технологических процессов.
Тяжёлые металлы - это элементы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с относительной молекулярной массой больше 40. Одним из сильнейших по действию и наиболее распространенным химическим загрязнением является загрязнение тяжелыми металлами.
Тяжелые металлы и их соли (Си, Zn, Hg, Cd, Рb, Sn, Fe, Mn, Ag, Cr, Co, Ni, As, Al) - широко распространенные промышленные загрязнители. В водоемы они поступают из естественных источников (горных пород, поверхностных слоев почвы и подземных вод), со сточными водами многих промышленных предприятий и атмосферными осадками, которые загрязняются дымовыми выбросами. Тяжелые металлы как микроэлементы постоянно встречаются в естественных водоемах и органах гидробионтов. В зависимости от геохимических условий отмечаются широкие колебания их уровня.
К тяжелым металлам относятся более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 50 атомных единиц.
Эта группа элементов активно участвует в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Группа "тяжелых металлов" во многом совпадает с понятием "микроэлементы". Отсюда свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, хром, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий являются тяжелыми металлами.
Химические и физические свойства меди. Медь - химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер - 29, атомная масса - 63,546. Температура плавления ? 1083 градусов C, температура кипения - 2595 градусов C, плотность - 8,98 г/см 3 . По геохимической классификации В.М. Гольдшмидта, медь относится к халькофильным элементам с высоким сродством к S, Se, Te, занимающим восходящие части на кривой атомных объемов. Чистая медь - тягучий, вязкий металл красного, в изломе розового цвета, в очень тонких слоях на просвет медь выглядит зеленовато-голубой. Эти же цвета, характерны и для многих соединений меди, как в твердом состоянии, так и в растворах.
Медь - металл сравнительно малоактивный. В сухом воздухе и кислороде при нормальных условиях медь не окисляется. Она достаточно легко вступает в реакции с галогенами, серой, селеном. А вот с водородом, углеродом и азотом медь не взаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют. Электроотрицательность атомов - способность при вступлении в соединения притягивать электроны. Электроотрицательность Cu 2+ - 984 кДж/моль, Cu + - 753 кДж/моль. Элементы с резко различной ЭО образуют ионную связь, а элементы с близкой ЭО - ковалентную. Сульфиды тяжелых металлов имеют промежуточную связь, с большей долей ковалентной связи (ЭО у S-1571, Cu-984, Рb-733). Медь является амфотерным элементом - образует в земной коре катионы и анионы.
Медь входит более чем в 198 минералов, из которых для промышленности важны только 17, преимущественно сульфидов, фосфатов, силикатов, карбонатов, сульфатов.
Физические и химические свойства железа. Значение железа в современное технике определяется не только его широким распространением в природе, но и сочетанием весьма ценных свойств. Оно пластично, легко куется как в холодном, так и нагретом состоянии, поддается прокатке, штамповке и волочению. Способность растворять углерод и других элементы служит основой для получения разнообразных железных сплавов.
Железо может существовать в виде двух кристаллических решеток: б- и г-объемноцентрированной кубической (ОЦК) и гранецентрированной кубической (ГЦК). Ниже 910°С устойчиво б-Fe с ОЦК-решеткой (а = 2,86645Е при 20 °С). Между 910 °С и 1400°С устойчива г-модификация с ГЦК-решеткой (а = 3,64Е). Выше 1400°С вновь образуется ОЦК-решетка д-Fe (a = 2,94Е), устойчивая до температуры плавления (1539 °С). б-Fe ферромагнитно вплоть до 769°С (точка Кюри). Модификации г-Fe и д-Fe парамагнитны.
Физические свойства железа зависят от его чистоты. В промышленных железных материалах железу, как правило, сопутствуют примеси углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. Даже при очень малых концентрациях эти примеси сильно изменяют свойства металла. Так, сера вызывает так называемых красноломкость, фосфор хладноломкость; углерод и азот уменьшают пластичность, а водород увеличивает хрупкость железа (т. н. водородная хрупкость).
Химические свойства железа. Конфигурация внешней электронной оболочки атома 3d64s2. Железо проявляет переменную валентность (наиболее устойчивы соединения 2- и 3-валентного железа). С кислородом Железо образует оксид (II) FeO, оксид (III) Fe 2 O 3 и оксид (II,III) Fe 3 O 4 (соединение FeO c Fe 2 O 3 , имеющее структуру шпинели). Во влажном воздухе при обычной температуре железо покрывается рыхлой ржавчиной (Fe 2 O 3 ·nH 2 O). Вследствие своей пористости ржавчина не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и поэтому не предохраняет его от дальнейшего окисления. В результате различных видов коррозии ежегодно теряются миллионы тонн железа. При нагревании Железа в сухом воздухе выше 200°С оно покрывается тончайшей оксидной пленкой, которая защищает металл от коррозии при обычных температурах; это лежит в основе технического метода защиты железа - воронения. При нагревании в водяном паре железо окисляется с образованием Fe3O4 (ниже 570°С) или FeO (выше 570°С) и выделением водорода.
Нормальный электродный потенциал железа в водных растворах его солей для реакции Fe = Fe 2+ + 2 e составляет -0,44 в, а для реакции Fe = Fe 3+ + 3 e равен -0,036 в. Таким образом, в ряду активностей железо стоит левее водорода. Оно легко растворяется в разбавленных кислотах с выделением Н2 и образованием ионов Fe 2+. Своеобразно взаимодействие железа с азотной кислотой. Концентрированная HNO3 (плотность 1,45 г/см3) пассивирует железо вследствие возникновения на его поверхности защитной оксидной пленки; более разбавленная HNO3 растворяет железо с образованием ионов Fe 2+ или Fe 3+ , восстанавливаясь до NH3 или N2 и N2O. Растворы солей 2-валентного железа на воздухе неустойчивы - Fe 2+ постепенно окисляется до Fe 3+ . Водные растворы солей железа вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Добавление к растворам солей Fe 3+ тиоцианат-ионов SCN- дает яркую кроваво-красную окраску вследствие возникновения Fe(SCN)3 что позволяет открывать присутствие 1 части Fe 3+ примерно в 106 частях воды. Для железа характерно образование комплексных соединений.
Физические и химические свойства никеля. При обычных условиях никель существует в виде b-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решётку. Но никель, подвергнутый катодному распылению в атмосфере H2, образует a-модификацию, имеющую гексагональную решётку плотнейшей упаковки, которая при нагревании выше 200°С переходит в кубическую. Никель - ковкий и тягучий металл, из него можно изготовлять тончайшие листы и трубки. Предел прочности при растяжении 400-500 Мн/м 2 (т. е. 40-50 кгс/мм 2 ), предел упругости 80 Мн/м 2 , предел текучести 120 Мн/м 2 ; относительное удлинение 40%; модуль нормальной упругости 205 Гн/м2; твёрдость по Бринеллю 600-800 Мн/м 2 . В температурном интервале от 0 до 631 К (верхняя граница соответствует Кюри точке) никель ферромагнитен.
Ферромагнетизм никеля обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек его атомов. Ni вместе с Fe и Со, также ферромагнетиками, относится к элементам с недостроенной 3d- электронной оболочкой (к переходным 3d-металлам). Электроны недостроенной оболочки создают нескомпенсированный спиновый магнитный момент, эффективное значение которого для атомов никеля составляет 6 mБ, где mБ - Бора магнетон. Положительное значение обменного взаимодействия в кристаллах никеля приводит к параллельной ориентации атомных магнитных моментов, т. е. к ферромагнетизму. По той же причине сплавы и ряд соединений никель (окислы, галогениды и др.) магнитоупорядочены. Никель входит в состав важнейших магнитных материалов и сплавов с минимальным значением коэффициента теплового расширения (пермаллой, монель-металл, инвар и др.). В химическом отношении Ni сходен с Fe и Со, но также и с Cu и благородными металлами. В соединениях проявляет переменную валентность (чаще всего 2-валентен). Никель - металл средней активности, Поглощает (особенно в мелкораздробленном состоянии) большие количества газов (H2, CO и др.); насыщение Н. газами ухудшает его механические свойства. Взаимодействие с кислородом начинается при 500°С; в мелкодисперсном состоянии Н. пирофорен - на воздухе самовоспламеняется. Из окислов наиболее важна закись NiO - зеленоватые кристаллы, практически нерастворимые в воде (минерал бунзенит).
Физические и химические свойства марганца. Физические свойства марганца. Плотность марганца 7,2-7,4 г/см3; tпл. 1245°С; tкип. 2150°С. Марганец имеет 4 полиморфные модификации: б-Мn (кубическая объемно-центрированная решетка с 58 атомами в элементарной ячейке), в-Мn (кубическая объемно-центрированная с 20 атомами в ячейке), г-Мn (тетрагональная с 4 атомами в ячейке) и д-Mn (кубическая объемно-центрированная). Температура превращений: б=в 705°С; в=г 1090°С и г=д 1133°С; б-модификация хрупка; г (и отчасти в) пластична, что имеет важное значение при создании сплавов.
Химические свойства марганца. Химически марганец достаточно активен, при нагревании энергично взаимодействует с неметаллами - кислородом (образуется смесь оксидов марганца разной валентности), азотом, серой, углеродом, фосфором и другими. При комнатной температуре марганец на воздухе не изменяется: очень медленно реагирует с водой. В кислотах (соляной, разбавленной серной) легко растворяется, образуя соли двухвалентного марганца. При нагревании в вакууме марганец легко испаряется даже из сплавов.
Предельно допустимая концентрация (ПДК) - утверждённый в законодательном порядке санитарно-гигиенический норматив. Под ПДК понимается такая концентрация химических элементов и их соединений в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени на организм человека не вызывает патологических изменений или заболеваний, устанавливаемых современными методами исследований в любые сроки жизни настоящего и последующего поколений.
Значения ПДК включены в ГОСТы, санитарные нормы и другие нормативные документы, обязательные для исполнения на всей территории государства; их учитывают при проектировании технологических процессов, оборудования, очистных устройств и пр. Санитарно-эпидемиологическая служба в порядке санитарного надзора систематически контролирует соблюдение нормативов ПДК в воде водоёмов хозяйственно-питьевого водопользования, в атмосферном воздухе и в воздухе производственных помещений; контроль за состоянием водоёмов рыбопромыслового назначения осуществляют органы рыбнадзора.
Вода является средой, в которой возникала жизнь и обитает большая часть видов живых организмов (в атмосфере лишь слой около 100 м наполнен жизнью). Поэтому при нормировании качества природных вод необходимо заботиться не только о воде как ресурсе, потребляемом человеком, но и о сохранении водных экосистем как важнейших регуляторов условий жизни планеты. Однако действующие нормативы качества природных вод ориентированы главным образом на интересы здоровья человека и рыбного хозяйства и практически не обеспечивают экологическую безопасность водных экосистем.
Требования потребителей к качеству воды зависят от целей использования. Выделяют три вида водопользования:
- хозяйственно-питьевое - использование водных объектов или их участков в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности;
- культурно-бытовое - использование водных объектов для купания, занятий спортом и отдыха. К этому виду водопользования относятся и участки водных объектов, находящиеся в черте населенных мест;
- водоемы рыбохозяйственного назначения, которые, в свою очередь, делятся на три категории:
- высшая категория - места расположения нерестилищ, массового нагула и зимовальных ям особо ценных и ценных видов рыб, других промысловых водных организмов, а также охранные зоны хозяйств для искусственного разведения и выращивания рыб, других водных животных и растений;
- первая категория - водные объекты, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к содержанию кислорода;
- вторая категория - водные объекты, используемые для других рыбохозяйственных целей.
Конечно, природные воды являются объектами и других видов водопользования - промышленного водоснабжения, орошения, судоходства, гидроэнергетики и.т.д. Использование воды, связано с ее частичным или полным изъятием, называют водопотреблением. Все водопользователи обязаны соблюдать условия, которые обеспечивают качество воды, соответствующее установленным для данного водного объекта нормативам. Существуют и некоторые общие требования к составу и свойствам воды (табл. 1.1).
Поскольку требования к качеству воды зависят от вида водопользования, необходимо определить этот вид для каждого водного объекта или его участков. Согласно Правилам виды водопользования устанавливаются региональными органами экологического и санитарного контроля и утверждаются соответствующей исполнительной властью.
Под ПДК природных вод подразумевается концентрация индивидуального вещества в воде, при превышении которой она непригодна для установленного вида водопользования. При концентрации вещества равной или меньше ПДК вода так же безвредна для всего живого, как и вода, в которой полностью отсутствует данное вещество.
Характер воздействия загрязняющих веществ на человека и водные экосистемы может быть разным. Многие химические вещества могут тормозить естественные процессы самоочищения, что приводят к ухудшению общего санитарного состояния водоема (дефициту кислорода, гниению, появлению сероводорода, метана и. т. д.). В этом случае устанавливают ПДК по общесанитарному признаку вредности.
При нормировании качества воды водоемов ПДК устанавливается по лимитирующему признаку вредности - ЛПВ.
ЛПВ - признак вредного действия вещества, который характеризуется наименьшей пороговой концентрацией.
Таблица 1.1 Общие требования к составу и свойствам воды (Правила охраны поверхностных вод от загрязнения)
Читайте также: