Хентов В.Я., Великанова Л.Н., Семченко В.В., Зеленская Е.А. Физико-химические проблемы окружающей среды - файл n1.docx

Хентов В.Я., Великанова Л.Н., Семченко В.В., Зеленская Е.А. Физико-химические проблемы окружающей среды
скачать (704.9 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx705kb.20.11.2012 14:12скачать

n1.docx

  1   2   3   4   5
Физико-химические проблемы

окружающей среды

В.Я. Хентов, Л.Н. Великанова, В.В. Семченко, Е.А. Зеленская

Учебное пособие

Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ). ‒ 2012

УДК

ББК

Х38
Рецензенты: д-р.т. наук, профессор В.В. Денисов (ЮРГТУ);

д-р.т. наук, профессор В.Л. Гапонов (ДГТУ)


Физико-химические проблемы окружающей среды: учебное пособие / В.Я. Хентов, Л.Н. Великанова, В.В. Семченко, Е.А. Зеленская

Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ): Новочеркасск: «?», 2012.– 76 с.

ISBN
Изложены сведения о процессах, приводящих к загрязнению окружающей среды. Описаны основные методы утилизации и обезвреживание отходов. Особое внимание уделено рециклингу металлов. Пособие может быть полезно преподавателям, аспирантам, студентам вузов, изучающих дисциплину «Химия» и «Физико-химические проблемы окружающей среды».


УДК

ББК
ISBN

© Хентов В.Я., Великанова Л.Н., Семченко В.В., Е.А. Зеленская

 Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), 2012

Еще в начале прошлого столетия академик В.И. Вернадский подсчитал, что из всего объема энергоносителей и сырья, что мы извлекаем из недр земли, до потребителя в виде готовой продукции доходит не более 6%, остальное уходит в отходы на разных стадиях технологической цепочки. В среднем на один килограмм готового продукта, приходится 25 килограммов отходов

Кандидат биологических наук Галина Павловна Сапожникова, Семейный центр «Три поколения», г. Пущино Московской области

К физико-химическим проблемам окружающей среды относят различные воздействия на атмосферу, гидросферу и литосферу, приводящие к дискомфорту человека, животных и растительных организмов, возникновению мутационных процессов в них.

Изменения, происходящие в окружающей среде, оказывают влияние и на техносферу. Достаточно вспомнить о коррозионных процессах, которые от ежегодной выплавки уничтожают 10-25 % металла. Коррозионные процессы приводят к снижению прочности конструкционных материалов. Это также связано с серьезной экологической проблемой, поскольку при выплавке металла происходит ощутимое загрязнение окружающей среды.

Основными производителями отходов являются такие отрасли промышленности как горнодобывающая, химическая, металлургическая и топливно-энергетическая.

Содержание металлических элементов в техногенных отходах сравнимо с месторождениями полезных ископаемых. Поэтому сегодня на первый план выдвигается разработка новых методов извлечения металлов из техногенных отходов.

В промышленно развитых центрах уровни загрязнений в несколько раз превышают допустимые санитарные нормы.

В свете изложенного перед промышленно развитым обществом встает серьезнейшая проблема утилизации и переработки промышленных отходов. Это актуальнейшая задача современности. От её успешного разрешения зависит сохранность природной среды, живого и растительного мира, увеличение продолжительности активной жизни человека.

Понятие «загрязнение окружающей среды»

В результате эволюционных процессов в природе установилось распределение химических элементов (рис. 1), напоминающее распределение в галактике.


logM, вес. %


Рис. 1. Зависимость логарифма среднего содержания элементов в земной коре logM от порядкового номера элемента Z
Этот процесс носил длительный характер. Любое отклонение от установившегося химического состава атмосферы, гидросферы и литосферы определяется понятием «загрязнение окружающей среды». К этому понятию следует также относить физическое и биологическое загрязнение окружающей среды.

Принята следующая классификация загрязнения:

■ химическое загрязнение, превышающее установившийся в результате эволюции естественный фон;

■ физическое загрязнение, связанное с превышением, установившихся в результате эволюции физических параметров среды;

■ биологическое загрязнение, связанное с изменения установившемся в естественном фоне биологических агентов.

К химическим загрязнителям относят тяжелые металлы, способные накапливаться в тканях растительных и живых организмов, в различных органах живых организмов, приводя к тяжелым формам отравления. Это – ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, хром, никель, кобальт, молибден, железо, марганец, медь, цинк и другие. Некоторые из них, в малых дозах нужны живым организмам. Наибольшую опасность для живых организмов представляют ртуть, свинец, кадмий, мышьяк.

Помимо тяжелых металлов к опасным загрязнителям следует относить диоксины, химические соединения чрезвычайно токсичные для человека и животных. Эти соединения образуются из хлор- и фторпроизводных ароматических углеводородов особенно в процессе их сжигания. Они способны накапливаться в водной среде и почве.

К загрязнителям органического происхождения следует отнести формальдегид и бензопирен. Первый поступает в атмосферу из древесностружечных и древесноволокнистых плит, а также в результате работы двигателей внутреннего сгорания. Второй является продуктом процесса горения твердого и жидкого топлива, содержится даже в сигаретном дыме и выхлопных газах автомобильного транспорта и является ярко выраженным канцерогеном.

К опасным загрязнителям следует отнести хлор- и фосфорсодержащие органические соединения – различные ядохимикаты, применяемые в сельском хозяйстве.

К физическим загрязнениям относят шумовые, электромагнитные, радиационные, ионизирующие, световые и температурные физические параметры, доза которых становится противоестественной для человека и животных.

Шумовые загрязнения встречаются наиболее часто.Человек воспринимает частоты в пределах 16-20000 Гц. Человек ощущает дискомфорт при акустических колебаниях свыше 800 Гц (высокочастотный шум). Для характеристики уровня шума используется параметр L, характеризуемый логарифмом отношения интенсивности звука I к пороговой интенсивности I0:

.

Единицей измерения является белл (Б), характеризующий увеличение интенсивности на порядок. На практике используется десятая доля белла – децибелл (дБ). Шум листвы деревьев составляет 15 дБ, речи человека 60 дБ, идущего поезда 80 дБ. Шум порядка 100 дБ оказывает неприятное воздействие на человека.

Электромагнитные загрязнения являются результатом работы электронных приборов, различных электромагнитных механизмов, линий электропередач, в результате чего нарушается естественный природный электромагнитный фон. Определенный вклад в изменение естественного фона вносит изменение солнечной активности (магнитные бури). Электромагнитные загрязнения могут привести к нарушению работы электронных приборов и нарушению жизнедеятельности молекулярных биологических структур.

На практике применяется параметр предельно допустимые уровни (ПДУ) электромагнитных полей. Величина этого параметра зависит от величины опасного уровня плотности тока, наведенного в теле человека (10 мА/м2). Названа опасная для человека напряженность магнитного поля – 4 кА/м.

К радиационным загрязнениям относят загрязнения, превышающие естественный радиационный фон. Этот фон определяется радиоактивностью земной коры и проникающим космическим излучением. Здесь важную роль играют природные радиоизотопы с периодом полураспада, превышающим 105 лет (уран, торий, а также 40К, 14С, 226Ra и 222Rn). В результате ядерных испытаний с 1945 по 1996 годы было произведено в надземном пространстве более 400 ядерных взрывов (США, СССР, Великобритания, Франция и Китай). Поступившие в окружающую среду углерод-14, цезий-137, стронций-90 повысили радиационный фон на 2 %.

Допустимая среднегодовая эффективная эквивалентная доза облучения человека составляет 2,5 миллизиверта (мЗв). В США используется величина предельной дозы годового облучения 0,1 мЗв/год.

Важно отметить биологическое действие ионизирующих излучений. Ионизация приводит к образованию свободных радикалов, которые вызывают разрушение макромолекул белков и нуклеиновых кислот.

Под ионизирующим излучением понимают потоки фотонов или частиц, которые взаимодействуя с веществом, вызывают ионизацию атомов или молекул. Это главным образом ультрафиолетовое, характеристическое рентгеновское излучение и ?-излучение. Кроме этого необходимо учитывать потоки ?- и ?-частиц, ускоренных электронов и ионов, нейтронов, осколков деления тяжелых ядер. Эффективная доза для обычного населения за всю жизнь не должна превышать 70 мЗв.

К биологическим загрязнениям относят загрязнения, вызываемые патогенными микроорганизмами и вирусами, а также отдельными видами лекарственных препаратов. В последнем случае важная роль отводится дозе лекарственного препарата. К особому виду загрязнений следует отнести используемый в питании человека и животных белок микробного происхождения, например белок, выращенный на основе парафинов. Возможную опасность могут представлять генно модифицированные продукты.

Загрязнение окружающей среды (почвы, воды и воздуха) является причиной ежегодной гибели сорока процентов населения.

Механизмы поступления вредных веществ

в окружающую среду

Сложившееся в природе равновесие в распределении элементов может быть нарушено, главным образом, в результате деятельности человека. Это может привести к глобальным последствиям, в частности, к изменению климата. В этой связи представляется интересным рассмотрение механизмов формирования и загрязнения окружающей среды.

Можно выделить три основных механизма: явления переноса на молекулярном уровне (физическое испарение и сублимация, диффузия и конденсация); механические процессы (кумуляция жидкости в микрослоях и диспергирование вещества, находящегося в конденсированном состоянии); химические процессы (комплексообразование, выветривание изверженных пород, окислительно-восстановительные процессы, протекающие в отходах).

К физическим процессам переноса вещества относятся: испарение жидкостей и сублимация твердых тел, а также диффузия и конденсация. Испарение и сублимация обостряются при повышении температуры и понижении давления. В результате создается определенная плотность вещества в газовой фазе.

Совершенно необычным является перенос ионов солей в виде гидратных комплексов с поверхности раствора электролита, например, океана в газовую фазу (воздух). Однако производительность этого процесса невелика. С применением радиоактивных индикаторов удалось показать, что отношение концентраций 36Cl в конденсате к 36Cl в морской воде составило 2·10-6. Тем не менее, в природных условиях указанные физические процессы приводят к разделению изотопов, например, водорода (протия) и дейтерия. В летний период содержание дейтерия в атмосферных осадках повышается. В зимний период понижается.

Диффузия несет ответственность за изменение ионного состава при фильтрации растворов. В тонких порах ионы движутся с различными скоростями. Анионы движутся быстрее катионов. Во главе потока наблюдается уменьшение рН. Это явление известно как эффект академика Д.С. Коржинского.

Определенную роль в формировании ионного состава кормовой части всплывающего пузыря играет конвективная диффузия ионов. В конечном итоге она оказывает влияние на ионный состав кумулятивных капель, т.е. на состав морского аэрозоля.

Процесс конденсации также играет важную роль в формировании состава и загрязнении окружающей среды. Например, в случае гетерогенной конденсации на ядрах конденсации происходит образование аэрозолей и облаков.

Размер частиц водяного тумана – 0,5 мкм, серной кислоты – 1-10 мкм. Химический состав образующихся аэрозолей определяется составом ядер конденсации. Такие капли воды обладают аномальными свойствами. Температура кристаллизации составляет воды -40 оС.

С уменьшением размера капель возрастает реакционная способность воды. Наблюдается электризация капель.

Среди механических процессов особый интерес вызывает кумуляция жидкости в микрослоях. Под толщиной микрослоя понимают 1 мм межфазной границы жидкость–газ.

На рис. 2 показана схема образования капель после разрыва на поверхности жидкости газового пузыря.



Рис. 2. Схема образования капель после разрыва на поверхности жидкости газового пузыря:

1 – пузырь на поверхности жидкости; 2 – полость пузыря после его разрыва; 3 – образование капель из кумулятивной струи
После разрыва купола пузыря поверхностные слои жидкости начинают движение в сторону нижней части полости с ускорением 103g для пузырей диаметром 1,7 мм и 106g для пузырей диаметром 1 мкм. Это поистине гигантские космические ускорения.

В результате столкновения поверхностных потоков в нижней части полости пузыря вертикально вверх выбрасывается кумулятивная струя. Начальная скорость выброса кумулятивной струи составляет 1-10 м/с.


Рис. 3. Зависимость степени разделения ионов при кумуляции жидкости от отношения энергии гидратации и отношения поверхностных инактивностей
Сопоставление времени формирования капли и времени релаксации поверхностного слоя указывает на нестационарный характер процесса формирования состава капли. Вследствие этого достигается значительное разделение компонентов растворов (рис. 3).



По этому механизму происходит образование морских аэрозолей, переносимых ветром на большие расстояния. После испарения воды остается солевой остаток, который является ядром конденсации.

Ядра конденсации несут ответственность за образование облаков. С поверхности мирового океана в атмосферу с ядрами конденсации поступает ежегодно до 1010 т морских солей.

Вообще физические свойства жидкости кумулятивных капель отличаются от свойств объемной (исходной) жидкости. Например, кумулятивные капли быстро испаряются. Это связано с разбалансом адсорбции ионов и появлением избыточного заряда.

На последнем этапе своей жизни капли сбрасывают избыточный заряд и массу, т.е. испарение носит взрывной характер. Интенсивное испарение жидкости мгновенно создает высокую плотность вещества в газовой фазе. Это обстоятельство необходимо учитывать при прогнозировании загрязнения окружающей среды.

Кумулятивные капли характеризуются более низким значением поверхностного натяжения, чем исходная жидкость. Это объясняется изменением ионного состава капель, а также их заряжением. На рис. 4 приведена зависимость отношения поверхностного натяжения жидкости кумулятивных капель и капель исходной жидкости ?к/?о от энергии гидратации ионов ?G.




Рис. 4. Зависимость отношения поверхностного натяжения жидкости кумулятивных капель и объемной фазы ?к/?о от энергии гидратации G(кДж/моль)

(температура 18о С, концентрация 0,1 моль/л).
Кумулятивные капли лучше смачивают поверхность твердого тела по сравнению с исходной жидкостью (табл. 1). Это важное свойство жидкости кумулятивных капель может быть связано с особым состояние жидкости в этих каплях, а также с появлением избыточного заряда капель. Причина этого заключается в значительном разбалансе адсорбции анионов и катионов в кумулятивных каплях.

Таблица 1

Краевой угол смачивания фторопласта-4 кумулятивными каплями и исходной жидкостью (система NaCl-Na2SO4-H2O, концентрация 0,1 моль/л)

Раствор

Краевой угол смачивания, градусы

Исходная

жидкость

Кумулятивные

капли

Хлорид натрия

108

124

Хлорид калия

106

125

Нитрат натрия

103

119

Иодид натрия

98

114

Сульфат натрия

94

108


Улучшение смачивания представляет интерес для повышения эффективности гидрообеспыливания. На рис. 5 и 6 приведены гистограммы захвата пылевых частиц.


Рис. 5. Гистограмма захвата пылевых частиц кумулятивными каплями

ис. 7. Гистограмма захвата пылевых частиц кумулятив-ными каплями

Рис. 6. Гистограмма захвата пылевых частиц каплями исходной жидкости

На гистограммах N – интервалы значений диаметров захваченных пылевых частиц: 1 – 0,3 мкм; 2 – 0,5 мкм; 3 – 0,75 мкм; 4 – 1,0 мкм; 5 – 1,25 мкм.

Кумуляция жидкости в микрослоях приводит к загрязнению воздуха рабочей зоны и возникновению тяжелых условий труда на производстве. Это гальваническое производство, особенно ванны хромирования; цех формовки аккумуляторов; производство, связанное с упариванием растворов радиоактивных изотопов.Подобное загрязнение наблюдается при работе очистных сооружений.

Кумулятивные капли являются переносчиком микроорганизмов и инфекции. Например, в 1 м3 воздуха очистных сооружений г. Нью-Йорка было обнаружено 21800 живых колоний микроорганизмов. В пробе 0,03 м3 воздуха, взятого из аэрационного танка с активным илом, обнаружено 1200 видов бактерий, 6 % из них – патогенные. Человек, находящийся с подветренной стороны на расстоянии 1,5 м от края танка, за два вдоха может поглотить одну жизнеспособную патогенную бактерию.

С увеличением глубины всплывания пузыря увеличивается концентрация микроорганизмов в кумулятивных каплях (табл. 2).

Таблица 2

Зависимость отношения концентраций микроорганизмов в кумулятивных каплях и исходном растворе Ск/Со от глубины всплывания пузыря l

(музейный штамм чудесной палочки)


l, см

1

5

10

15

Ск/Со

2,5

12

13

16


Другой серьезной проблемой является перенос углеводородов или других нерастворимых в воде жидкостей, разлитых на водной поверхности, в кумулятивные капли.

Поверхность мирового океана покрыта пленками углеводородных и других нерастворимых в воде жидкостей или дисперсий. Содержание углеводородов в морской воде достигает 0,1 % от первичной продукции.

Табл.3 иллюстрирует переход углеводородных пленок c поверхности воды в кумулятивные капли. Для этого был проведен барботаж воды с нанесенной на ее поверхность пленкой углеводорода. Кумулятивные капли собирались на наклонную пластинку и стекали в коллектор.

В процессе барботажа на водной поверхности наблюдалось появление интерференции (утончение пленки до толщины, соизмеримой с длиной волны видимого света). Затем пленка распадалась на отдельные линзы, которые через некоторое время полностью исчезали.

В процессе эксперимента фиксировалось время появления интерференции, время появления линз и время полного удаления углеводородов.

Таблица 3

Влияние природы углеводорода и толщины пленки на время появления интерференции, время появления линз и время полного удаления углеводорода (средний диаметр пор барботера 22,5 мкм, температура 23 оС, расход воздуха 75 см3/мин)


Углеводород

Толщина пленки, мкм

Время, мин

появления интерференции

появления линз

полного удаления углеводородов

н-декан

21,5

5,6

5,8

6,8

н-ундекан

21,5

14

15

20

н-додекан

21,5

75

90

110

н-ундекан

4,5

3

3,5

5


Изучение влияния физико-химических факторов на кумуляцию жидкости позволило предложить простой способ снижения выбросов из гальванических ванн хромирования за счет увеличения длины подвески хромируемого изделия (табл. 4).

Другим механическим процессом, приводящим к формированию состава и загрязнению окружающей среды, является измельчение вещества, находящегося в конденсированном состоянии. Для жидкой фазы диспергирование жидкости приводит к увеличению ее реакционной способности и скорости испарения. Одновременно повышается эффективность гидрообеспыливания. Это может быть связано с особыми свойствами жидкости, полученными за счет кумуляции в жидких микрослоях. К сожалению, изменения физических свойств диспергированных жидкостей изучены недостаточно.

Таблица 4

Зависимость количество капельN, собранных за 1 с на площади поверхности бумаги 3,14 см2, от глубины погружения хромируемого изделия l


N, см-2·мин-1

37

32

29

25

21

18

l, мм

100

140

170

190

220

270


Иначе обстоит дело с диспергированием твердого тела. Процесс измельчения приводит к получению частиц, размер которых не может быть меньше коллоидных и способствует образованию пылевых систем. Помимо увеличения межфазной поверхности в твердом теле при механических воздействиях появляются такие дефекты кристаллической решетки, как дислокации.

Дислокации, выходя на поверхность с околозвуковой скоростью, приводят к обрыву химических связей на поверхности твердого тела, т.е. появлению активных центров. При этом резко возрастает реакционная способность вещества. Это обстоятельство является причиной воспламенения многих металлических порошков.

Частицы, размер которых меньше коллоидных (наночастицы) могут быть получены путем термического разложения вещества, например, карбоксилатов металлов. Так при термическом разложении оксалата железа (II) образуется углекислый газ и ультрадисперсные частицы железа. Такие частицы чрезвычайно активны. Например, наночастицы железа самопроизвольно воспламеняются в контакте с кислородом воздуха.

Для наночастиц создана нанотермодинамика, учитывающая изменения поверхностного натяжения от размера частицы [11].

Из химических процессов, приводящих к формированию и загрязнению окружающей среды, следует, в первую очередь, выделить реакции комплексообразования. Известно, что аминокислоты способны связывать и переносить тяжелые металлы (рис. 7).


Рис. 7. Зависимость количества металла m, растворенного аспаргиновой кислотой из нерастворимых карбонатов на каждый грамм кислоты от энергии связи металла.

Коэффициент корреляции 0,76.


Комплексообразование может служить источником накопления тяжелых металлов в растениях (рис. 8). После отмирания растений комплексные соединения металлов попадают в ил. Впоследствии образуются осадочные руды.


Рис. 8. Зависимость со-держания металлов в липидах бурых водорослей от параметра Рака B для двухвалентных ионов переходных металлов

Коэффициент корреляции 0,87
Процесс комплексообразования связан с параметром Рака. Для расчета параметров Рака необходимо знание радиальных волновых функций одноэлектронных состояний в атоме.
В табл. 5 приведены данные по среднему содержанию металлов в растениях и ежегодному концентрированию.

В геологии находит применение метод поиска полезных ископаемых по видам растений, встречающихся в природе.

В табл. 6 приведены данные по избирательному поглощению металлов растениями.

Таблица 5

Среднее содержание металлов в растениях (С) и ежегодное

концентрирование (m)


Металл

С, %

m, т

Металл

С, %

m, т

Mg

3·10-1

1,1·109

Fe

3·10-2

1,1·108

Al

5·10-2

1,8·108

Co

6·10-5

2,2·105

Ti

9·10-4

3,3·103

Ni

3·10-4

1,1·106

V

2·10-4

7,2·105

Cu

1·10-3

3,6·106

Cr

5·10-5

1,8·105

Zn

9·10-3

3,3·107

Mn

6·10-3

2,2·107

Mo

7·10-5

2,5·105


Таблица 6

Избирательное поглощение металлов растениями


Растение

Повышенное содержание

металлов

Синезеленые водоросли (Cyanophyta)

Fe, Co, Ni, Zn

Красные водоросли (Rhodophyta)

Mg, Fe, Co, Ni

Зеленые водоросли (Chlorophyta)

Ti, V, Cr, Cu

Бурые водоросли (Phaeophyta)

Ti, V, Ni, Zn

Моховидные (Bryophyta)

Al

Папоротниковидные (Pteridophyta)

Al

Голосеменные (Gymnospermae)

Mn

Покрытосеменные (Anthophyta)

Mn, Mo


Вода играет важную роль в формировании состава окружающей среды. Ниже приводится схема выветривания изверженных пород. Вода с растворенным в ней диоксидом углерода в виде дождевых вод взаимодействует с полевым шпатом (рис. 9).

Особый интерес вызывает термоактивированная вода, нагретая до температуры 350-400 оС, близкой к критической точке воды. Такая вода находится в недрах земной коры и обладает повышенной растворяющей способностью. Растворимость магнезита возрастает в 1,82 раза, доломита CaCO3 – в 1,56 раза, MnCO3 – в 2,11 раза, кварца – в 26 раз.



Изверженные породы + Дождевая ? Речные + Обломочный материал

вода воды

Рисунок 9. Схема выветривания изверженных пород
Необходимо отметить значение окислительно-восстановительных процессов, протекающих в отходах. Например, в шламе гальванических ванн хромирования CaCrO4, хранящегося под открытым небом, происходят окислительно-восстановительные процессы, в результате которых появляется трехвалентный хром, хорошо растворимый в воде. Поступление трехвалентного хрома в грунтовые воды привело к его появлению в колодцах с питьевой водой в Таганроге, Каменске и Ростове-на-Дону.

Разделение элементов и изотопов
  1   2   3   4   5


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации