Тяжелые металлы – химическое загрязнение окружающей среды. Московский государственный университет печати Физико химические основы загрязнения тяжелыми металлами

Один из источников загрязнения окружающей среды – это тяжелые металлы (ТМ), более 40 элементов системы Менделеева. Они принимают участие во многих биологических процессах. Среди наиболее распространенных тяжелых металлов, загрязняющих биосферу, являются такие элементы:

никель;
титан;
цинк;
свинец;
ванадий;
ртуть;
кадмий;
олово;
хром;
медь;
марганец;
молибден;
кобальт.

Источники загрязнения окружающей среды

В широком смысле источники загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами можно поделить на природные и техногенные. В первом случае химические элементы попадают в биосферу из-за водной и ветровой эрозии, извержения вулканов, выветривания минералов. Во втором случае ТМ попадают в атмосферу, литосферу, гидросферу из-за активной антропогенной деятельности: при сжигании топлива для получения энергии, при работе металлургической и химической индустрии, в агропромышленности, при добыче ископаемых и т. п.

Во время работы промышленных объектов загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами происходит различными путями:

в воздух в виде аэрозолей, распространяясь на обширные территории;
вместе с промышленными стоками металлы поступают в водоемы, изменяя химический состав рек, морей, океанов, а также попадают в грунтовые воды;
оседая в слое почвы, металлы изменяют ее состав, что приводит к ее истощению.

Опасность загрязнения тяжелыми металлами

Основная опасность ТМ заключается в том, что они загрязняют все слои биосферы. В результате в атмосферу попадают выбросы дыма и пыли, затем выпадают в виде . Потом люди и животные дышат грязным воздухом, в организм живых существ попадают эти элементы, вызывая всевозможные патологии и недуги.

Металлы загрязняют все акватории и источники воды. Это порождает проблему дефицита питьевой воды на планете. В некоторых регионах земли люди умирают не только от того, что пьют грязную воду, в последствие чего болеют, но и от обезвоживания.

Накапливаясь в земле, ТМ отравляют растения, произрастающие в ней. Попадая в почву, металлы всасываются в корневую систему, затем поступают в стебли и листья, корнеплоды и семена. Их избыток приводит к ухудшению роста флоры, токсикации, пожелтению, увяданию и гибели растений.

Таким образом, тяжелые металлы негативно влияют на экологию. Они попадают в биосферу различными путями, и, конечно же, в большей мере благодаря деятельности людей. Чтобы замедлить процесс загрязнения ТМ, необходимо контролировать все сферы промышленности, использовать очистительные фильтры и уменьшить количество отходов, в которых могут содержаться металлы.

Из всех 104 известных человечеству на сегодня химических элементов 82 составляют металлы. Они занимают видное место в жизни людей в промышленной, биологической и экологической сфере. Современная наука подразделяет металлы на тяжёлые, лёгкие и благородные. В этой статье мы рассмотрим список тяжёлых металлов и их особенности.

Определение тяжёлых металлов

Изначально тяжёлыми металлами принято было называть тех их представителей, которые имеют атомную массу выше 50. Однако употребление названного термина на сегодняшний день происходит чаще не с химической точки зрения, а в зависимости от их воздействия на загрязнение окружающей среды. Таким образом, список тяжёлых металлов включает те металлы и металлоиды (полуметаллы), которые загрязняют элементы человеческой биосферы (почву, воду). Давайте рассмотрим их.

Сколько элементов включает список тяжёлых металлов?

На сегодня не существует единого мнения относительно количества элементов в названном перечне, поскольку нет общих критериев, относящих металлы к тяжёлым. Тем не менее, список тяжёлых металлов может быть сформирован в зависимости от различных свойств металлов и их признаков. К ним относят:

Атомный вес. Исходя из этого критерия, к названным принадлежат более 40 элементов с атомной массой, превышающей 50 а.е.м (г/моль).
Плотность. Исходя из этого критерия, тяжёлыми считаются те металлы, у которых плотность равна или превосходит плотность железа.
Биологическая токсичность объединяет тяжёлые металлы, негативно влияющие на жизнедеятельность человека и живых организмов. В их списке порядка 20 элементов.

Влияние на организм человека

Большинство названных веществ оказывают негативное воздействие на все живые организмы. Ввиду значительной атомной массы, они плохо транспортируются и накапливаются в тканях человека, вызывая различные заболевания. Так, для человеческого организма кадмий, ртуть и свинец признаны как самые опасные и самые тяжёлые металлы.

Список токсичных элементов группируется по степени опасности по так называемым правилам Мертца, согласно которым наиболее токсичные металлы имеют наименьший диапазон экспозиции:

Кадмий, ртуть, таллий, свинец, мышьяк (группа самых опасных металлических ядов, превышение допустимых норм которых способно привести к серьёзным психо-физиологическим нарушениям и даже к летальному исходу).
Кобальт, хром, молибден, никель, сурьма, скандий, цинк.
Барий, марганец, стронций, ванадий, вольфрам

Это однако не означает, что ни один из элементов, сгруппированных выше, по правилам Мертца, не должен присутствовать в человеческом организме. Напротив, список тяжёлых металлов насчитывает в нем эти и ещё более 20 элементов, небольшая концентрация которых не только не опасна для жизнедеятельности человека, но и необходима в метаболических процессах, особенно железо, медь, кобальт, молибден и даже цинк.

Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами

Элементами биосферы, подвергающимся загрязнению тяжёлыми металлами, являются почва и вода. Чаще всего виновниками этого выступают металлургические предприятия, перерабатывающие лёгкие и тяжёлые Список загрязняющих агентов также пополняют предприятия по автомобильные выхлопы, котельные, химико-производственные, типографические компании и даже электростанции.

Чаще всего токсинами являются: свинец (автомобильное производство), ртуть (пример распространения: разбитые в быту градусники и люминесцентные осветительные приборы), кадмий (образуется в результате сжигания мусора). Кроме этого, большинство заводов в производстве используют тот или иной элемент, который может быть охарактеризован как тяжёлый. Металл группы, список которой был приведен выше, в виде отходов поступает чаще всего в водоёмы и далее по доходит до человека.

Кроме техногенных факторов загрязнения природы тяжёлыми металлами, существуют также природные - это извержения вулканов, в лаве которых обнаружено повышенное содержание кадмия.

Особенности распространения в природе самых токсичных металлов

Ртуть в природе более всего локализуется в водной и воздушной среде. В воды мирового океана ртуть поступает из промышленных сливов, также встречаются пары ртути, образующиеся вследствие горения угля. Токсичные соединения аккумулируются в живых организмах, особенно в морепродуктах.

Свинец имеет широкую область распространения. Он накапливается и в горах, и в почве, и в воде, и в живых организмах, и даже в воздухе, в виде выхлопных газов от автомобилей. Конечно, свинец поступает в окружающую среду и в результате антропологического действия в виде отходов от промышленной отрасли и неутилизированных отходов (аккумуляторы и батарейки).

А источником загрязнения окружающей среды кадмием являются а также природные факторы: выветривание медных руд, вымывание почв, а также результаты вулканической активности.

Область применения тяжёлых металлов

Несмотря на токсичность, современная промышленность создаёт огромное множество полезных продуктов, перерабатывая тяжёлые которых включает сплавы меди, цинка, свинца, олова, никеля, титана, циркония, молибдена и др.

Медь - высокопластичный материал, из которого получаются разнообразные провода, трубы, кухонная утварь, украшения, кровельное покрытие и многое другое. Кроме того, она широко используется в машиностроении и кораблестроительстве.

Цинк обладает высокими антикоррозийными свойствами, поэтому распространено использование для покрытия металлических изделий (т. н. оцинковка). Области применения продуктов из цинка: строительство, машиностроение, полиграфия (изготовление печатных форм), ракетостроение, химическая промышленность (производство лаков и красок) и даже медицина (антисептические средства и др.).

Свинец легко плавится, поэтому используется в качестве сырья во многих отраслях: лакокрасочной, химической, автомобильной (входит в состав аккумуляторов), радиоэлектронной, медицинской (изготовление защитных фартуков для пациентов во время прохождения рентген-исследований).

Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Соединения тяжелых металлов сравнительно быстро распространяются по объемам водного объекта. Частично они выпадают в осадок в виде карбонатов, сульфатов, частично адсорируются на минеральных и органических осадках. В результате содержание тяжелых металлов в отложениях постоянно растет, и когда абсорбционная способность осадков исчерпывается и тяжелые металлы поступают в воду, возникает особенно напряженная ситуация. Этому способствует повышение кислотности воды, сильное зарастание водоемов, интенсификация выделение СО2 в результате деятельности микроорганизмов. Значительное загрязнение тяжелыми металлами, особенно свинцом, а также цинком и кадмием обнаружены вблизи автострад. Ширина придорожных аномалий свинца в почве достигает 100 м и более.

Поступления тяжелых металлов в биосфере в результате техногенного рассеяния осуществляется различными путями. Важнейшим из них является выброс при высокотемпературных процессах в черной и цветной металлургии, при обжиге цементного сырья, сжигании минерального топлива. Кроме того, источником загрязнения биоценозов могут служить орошения водами с повышенным содержанием тяжелых металлов, внесенные осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения. Вторичное загрязнение происходит также вследствие выноса тяжелых металлов из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками, поступления больших количеств тяжелых металлов при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов, содержащих тяжелые металлы.

Особый интерес представляет изучение животных, является чувствительным индикатором начальных стадий загрязнения тяжелыми металлами. Они аккумулируют элементы в доступных биологически активных формах и отражают фактический уровень загрязнения экосистем. Почвенные животные, особенно сапрофитные группы, благодаря тесной связи с почвенными условиями и ограниченной территорией проживания могут быть хорошими индикаторами химического загрязнения биосферы. Среди животных такими индикаторами могут быть крот европейский, бурый медведь, лось, рыжая полевка. Имея сведений о содержании тяжелых металлов в млекопитающих, можно прогнозировать их влияние на организм человека.

Тяжелые металлы способны образовывать сложные комплексные соединения с органическими веществами почвы, поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса они менее доступны для полощения. Избыток влаги в почве способствует переходу тяжелых металлов в низшие степени окисления и в растворимые формы. Анаэробные условия повышают доступность тяжелых металлов растениям. Поэтому дренажные системы, регулируют водный режим, способствуют преобладанию окисленных форм тяжелых металлов и тем самым снижение их миграционных характеристик. Растения могут поглотать из почвы микроэлементы, в том числе тяжелые металлы, аккумулируя их в тканях или на поверхности листьев, являясь, таким образом, промежуточным звеном в цепи "почва - растение - животное - человек ".

Главным загрязнителем атмосферы кадмием является цветная металлургия и обработка цветных металлов. Кроме того, кадмий поступает в окружающую среду при сгорании некоторых видов топлива и особенно при сжигании мусора и отходов. Из атмосферы кадмий поступает в почву. Загрязнение ее этим элементом носит устойчивый характер, поскольку из почвы он вымывается медленно. Большое количество кадмия проявляется в растения, которые растут вблизи автомобильных дорог. Так, например в хвое ели обыкновенной, растущей вблизи автострад, количество кадмия возрастает в 11-17 раз. Симптомы избыточного поступления в растения кадмия проявляются в постепенном изменении окраски кончиков листьев и черешков до красновато-бурой и пурпурной. При этом листья скручиваются и становятся хлоратичними и опадают. По силе своего воздействия на растения кадмий превосходит многие другие тяжелые металлы. Гибель растений отмечается при концентрации этого элемента в почве в количестве 30 мг / кг. Вблизи предприятий, выбрасывающих в атмосферу кадмий наблюдается резкое снижение урожайности и даже гибель культурных растений. Накопление кадмия происходит главным образом в корнях растений (риса, пшеницы), однако часть его достигает органов. Одна из причин торможения роста растений, которые растут в присутствии кадмия, резкое ослабление интенсивности фотосинтеза. Присутствие в 1 кг листьев 96 мг этого элемента снижает интенсивность фотосинтеза на 50%. Существует прямая зависимость между содержанием кадмия в почве и поступлением его в растения.

Главным загрязнителем окружающей среды кадмием является цветная металлургия и обработка цветных металлов. Кроме того кадмий поступает в атмосферу при сгорании мусора и отходов. Большое количество кадмия проявляется в растения, которые растут вблизи автодорог. Так, например в хвое ели обыкновенной, растущей вблизи автодорог количество кадмия возрастает в 11-17 раз. Симптомы избыточного поступления в растения кадмия проявляются в постепенном изменении окраски кончиков листьев и черешков до красновато-бурой и пурпурной. При этом листья скручиваются и опадают. Кадмий замедляет темпы роста растений. При внесении его в количестве 20 мг на 1 кг почвы урожай растения снижался на 50%. По силе своего действия кадмий превосходит многие другие тяжелые металлы. Гибель растений отмечается при концентрации кадмия в почве в количестве 30 мг / кг и выше. Большое количество кадмия поступает в почву при разработке и добыче цинковых руд. На таких почвах можно выращивать растения, потому что этот токсикант аккумулируется в тканях растений и может затем поступать в организм человека. Накопление кадмия происходит главным организм человека. Одна из причин торможения роста растений, которые растут в присутствии кадмия - резкое ослабление интенсивности фотосинтеза. Присутствие в 1 кг листьев 96 мг этого элемента снижает интенсивность фотосинтеза на 50% .

Основными источниками антропогенного поступления тяжелых металлов в окружающую среду являются металлургические предприятия, тепловые электростанции, карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд, транспорт, химические средства защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей, сжигание нефти и различных отходов и т. Наиболее мощные ореолы тяжелых металлов возникают вокруг предприятий черной и цветной металлургии в результате атмосферных выбросов. Действие загрязняющих веществ распространяется на десятки километров от источника поступления элементов в атмосферу. По приведенным ниже данным нельзя судить о размерах антропогенной деятельности человека: вклад техногенного свинца составляет 94-97% (остальное природные источники)., Кадмия-84-89% процентов, меди-56-87%, никеля-66-75%, ртути -58% .

Фитотоксичное действие тяжелых металлов проявляется, как правило, при высоком уровне техногенного загрязнения ими почв и во многом зависит от свойсво и особенностей поведения конкретного металла. Однако в природе ионы металлов редко встречаются изолированно друг от друга. Поэтому различные комбинативного сочетание и концентрации различных металлов в среде приводят к изменениям свойств отдельных элементов в результате их антогонического воздействия на живые организмы .

Самым техногенных воздействий площадного характера испытывают пахотные земли. Основной источник загрязнения, с которым в пахотные почвы поступает до 50% общего количества тяжелых металлов, - фосфорные удобрения. Для определения степени потенциального загрязнения пахотных почв проведено связан анализ свойств почв и свойств загрязнителя: учитывались содержание, состав гумуса и гранулометрический состав почв, а также щелочно-кислотные условия. Данные по концентрации тяжелых металлов в фосфоритах месторождений различного генезиса позволили рассчитать их среднее содержание с учетом приблизительных доз внесения удобрений в пахотные почвы различных районов. Оценка свойств почв соотнесена с величинами агрогенного нагрузки. Совокупная интегральная оценка легла в основу выделения степени потенциального загрязнения почв тяжелыми металлами.

Миграция тяжелых металлов в почвах зависит прежде всего от щелочно - кислотных и окислительно-восстановительных условий, определяющих разнообразие почвенно- геохимических обстановок. Важную роль в миграции тяжелых металлов в профиле почв играют геохимические барьеры, в одних случаях усиливают, в других ослабляют (в силу способности к консервации) устойчивость почв к загрязнению тяжелыми металлами. На каждом из геохимических барьеров задерживается определенная группа химических элементов, обладающий подобными геохимическими свойствами.

Локальное загрязнение почв тяжелыми металлами связано, прежде всего, с крупными городами и промышленными центрами. Оценка опасности загрязнения почв комплексом тяжелых металлов проводилась по суммарному показателю Zc.

Своеобразная геохимическая обстановка миграции тяжелых металлов в почвах речных пойм, где при повышенной обводненности значительно возрастает подвижность химических элементов и соединений. Специфика геохимических процессов здесь обусловлена, прежде всего, резко выраженной сезонностью изменения окислительно-восстановительных условий. Это связано с особенностями гидрологического режима рек: длительностью весенних, наличием или отсутствием осенних паводков, характером определенный период. Продолжительность затопления паводковыми водами пойменных террас определяет преобладание или окислительных (кратковременное затопление поймы), или окислительно-восстановительных (долгопоёмний режим) условий.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами является наиболее актуальной проблемой, поскольку в последние годы темпы загрязнения окружающей среды принимают все более угрожающий характер. В сложившейся ситуации необходимо не только усилить исследования по всем аспектам проблемы тяжелых металлов в биосфере, но и периодически подводить итоги для осмысливания результатов, полученных в разных, часто слабо связанных между собой областях науки.

Охрана окружающей среды от загрязнения является насущной задачей общества. Среди многочисленных загрязнителей особое место занимают тяжелые металлы. К ним условно относят химические элементы с атомной массой свыше 50, обладающие свойствами металлов. Среди химических элементов тяжелые металлы являются наиболее токсичными.

К трудностям очистки газов от загрязнителей касается в первую очередь то, что объемы промышленных газов, выбрасываемых в атмосферу, огромны. Например, большая теплоэлектроцентраль способна в 1:00 выбросить в атмосферу до 1 млрд. Куб. метров газов. Поэтому даже при достаточно высокой степени очистки отходящих газов количество загрязняющего вещества, поступающего в воздушный бассейн, оцениваться значительной величиной.

Увеличение масштабов загрязнения атмосферы требуют быстрых и эффективных способов защиты ее от загрязнения, а также способов предупреждения вредного воздействия загрязнителей воздуха. Атмосфера может содержать определенное количество загрязнителя без проявления вредного воздействия, поэтому происходит естественный процесс ее очистки.

3.1 Общие характеристики

Основными загрязнителями окружающей среды являются тяжёлые металлы. К ним относятся элементы с относительной атомной массой свыше 40 и плотностью более 5 г/см3, хотя некоторые к тяжёлым металлам относят химические элементы с атомной массой свыше 50 и плотностью более 6 г/см3.

Термин «тяжёлые металлы» заимствован с технической литературы, где металлы делятся на тяжёлые и лёгкие. В растениях тяжёлые металлы входят в группу микроэлементов наряду с физиологически необходимыми, такими как цинк, медь, железо, марганец, молибден, кобальт и др. Все без исключения микроэлементы могут оказывать отрицательное влияние на растения, если концентрация их доступных форм превышает определённые пределы. Это связано с тем, что действие любых химических веществ носит определённый дозовый характер.

Опасность загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами сводится к следующему: фосфорный удобрение экология токсичность

1. Попадая в почву, тяжёлые металлы усиливают минерализацию органического вещества, вызывая негативные изменения в почвенно-поглощающем комплексе, вследствие замещения кальция и магния. Снижается ферментативная активность почвы, т.к. снижается жизнеспособность полезных микроорганизмов, увеличивается количество грибов, подавляется активность многих ферментов (каталазы и т. д.). Это приводит к деградации плодородия почвы и снижает её способность к самоочищению;
2. Проникая в растения, они могут активно участвовать в метаболических процессах, но могут сохраняться в виде неактивных соединений в клетках и на клеточных мембранах. В результате снижается продуктивность растений и качество продукции, происходят изменения в направленности физиолого-биохимических процессов и реализации генетической программы растений, нарушаются естественно сложившиеся фитоценозы;
3. Тяжёлые металлы, накапливаясь в растениях, по трофическим цепям с кормом и продуктами питания попадают в организм животных и человека, вызывая различные заболевания. Опасность увеличивается ещё и потому, что высшие растения без видимых признаков отравления могут накапливать токсичные для человека и животных концентрации тяжёлых металлов. В связи с этим особую актуальность приобретают исследования превращения тяжёлых металлов по всей экологической цепи почва- растение- животное- человек с целью улучшения гигиенического качества продукции и среды обитания человека. Тяжёлые металлы могут усваиваться живыми организмами также непосредственно из воды и воздуха.

Известны «металлические ряды», расположенные по степени их токсичности для растений. Несмотря на некоторые их различия, можно констатировать, что наиболее ядовитыми как для высших растений, так и для микроорганизмов являются Hg, Pb, Cd, Cu, Zn, Ni, Co. К этому ряду, вероятно, также следует добавить Sn, Be, Ag.

Из большого разнообразия тяжёлых металлов наибольшую опасность представляют кадмий, свинец, ртуть, цинк и медь, что связано с их высокой токсичностью.

3.2 Свинец

Свинец - один из главных компонентов загрязнения окружающей среды. Это давно уже известный яд, и даже среди многочисленных современных токсикантов это вещество наиболее заметно. Ещё в Древнем Риме были известны свинцовые трубы для водопроводов и свинцовые сплавы для кухонной посуды и сосудов для вина. Химическое обнаружение свинца в останках захоронений древних римлян указывает на то, что в организме было слишком много этого металла. Может быть, в этом и кроется одна из причин упадка империи. Типичные признаки хронического отравления свинцом - малокровие, кишечные колики, тёмная «свинцовая кайма» по краям дёсен. Отравление человека свинцом проявляется неспецифическими симптомами: вначале повышается возбудимость и бессонница, позже утомлённость и депрессия. В медицинской практике такое отравление диагностируется часто неверно, иногда его лечат как психическое заболевание. В современном мире основными источниками загрязнения этим металлом окружающей среды является нитроэтилсвинец и тетраметилсвинец, которые добавляют в бензин в качестве антидетонатора. Более 95% свинца, содержащегося в атмосфере, поступает с выхлопными газами автомобилей. Примерно половина свинцовой пыли, попав в лёгкие, остаётся там, переходит в кровь и откладывается в костях, печени, почках. Свинец, попавший в желудочно-кишечный тракт с пищей, в отличие от свинца, попавшего в лёгкие, более чем на 90% выводится из организма.

Свинец не участвует в обменных процессах организма человека и животных и при введении даже очень малых доз накапливается в печени, почках, костях, частично замещает кальций костного скелета, образует комплексы с белками. Токсическое действие его при попадании в организм связано с инактивацией ферментов. Взаимодействуя с сульфгидрильными группами белков, образует устойчивые соединения, блокирующие ферментные системы. Кроме того, он влияет на биосинтез гемоглобина, нуклеиновых кислот и различных гормонов. Около 90-95% содержащегося в организме человека свинца сконцентрировано в костях, что создаёт большую опасность хронической интоксикации. Он способен переходить в молоко матери. При потреблении ежегодно не менее 2 г. свинца проявляется его канцерогенное действие. Свинец обладает слабой фитотоксичностью, что объясняется его способностью активно реагировать с почвенными компонентами и переходить в трудноусвояемую форму.

Свинец в высокой концентрации замедляет рост корней, а также образование корневых волосков. Свинец влияет на химический состав многолетних трав. В них увеличивается содержание азота и снижается кальция, магния, железа. В растениях уменьшается содержание хлорофилла, особенно физиологически активной его фракции, а также органического фосфора при возрастании доли неорганических соединений этого элемента. Кроме того, повышается содержание нитратов.

Интоксикация свинцом характеризуется постепенным исхуданием, снижением продуктивности животных, чередованием поносов с запорами. Может также отмечаться опухание суставов, расстройство движения, синяя кайма на дёснах, уменьшение содержания гемоглобина в крови. Наиболее чувствительны к свинцу быстрорастущие ткани и эмбриональные клетки. К лицам повышенного риска относят новорождённых, беременных женщин, детей, людей с заболеванием почек, больных анемией.

Свинец в основном воздействует на кроветворную, нервную, пищеварительную системы, почки. Он способствует развитию атеросклероза (хроническое сердечнососудистое заболевание) и приводит к нарушению координации движения, образованию аномальных эритроцитов. Сужение поля зрения - один из самых ранних признаков интоксикации свинца. Кроме того, при избытке последнего снижается концентрация в крови витаминов В1, В2, В12 и С. Избыточное содержание свинца, равно как и других металлов, отрицательно сказывается на реакции палочек глазной сетчатки. В результате, помимо других эффектов, ухудшается сумеречное зрение, что может иметь катастрофические последствия для водителей автомашин.

В результате действия свинца сокращается срок жизни эритроцитов. При малом свинцовом отравлении снижается интеллект, и психика становится заторможенной. Холерик превращается во флегматика, а флегматик и вовсе «засыпает». И что ещё хуже - наблюдается частичная потеря контроля над поведением.

Свинец концентрируется в почве и воздухе. Он считается металлом с низкой биологической доступностью и больше накапливается в кормах. В растение поступает через корни и путём некорневого поглощения листьями. Растения с широкими листьями содержат свинца больше, чем растения, у которых листья узкие.

Естественные уровни содержания свинца в растениях лежат в пределах 0.1-10 мг/кг (в среднем 2 мг/кг), в сельскохозяйственных культурах, используемых в пищу - 1-5 мг/кг сухой массы. Предельно допустимая концентрация (ПДК) свинца в бытовой воде 0.1 мг/л, в почвах республики- 32 мг/л.

3.3 Кадмий

Кадмий - опасный токсикант (считается даже токсичнее свинца). Этот металл отнесён Всемирной организацией здравоохранения к числу наиболее вредных для здоровья. Поскольку в природной среде кадмий встречается в очень малых количествах, его вредное действие выявлено лишь недавно. Дело в том, что в последнее время этот металл стал находить всё большое техническое применение. Кадмий содержится в мазутах (10-3-10 -4%) и других тяжёлых нефтяных остатках, в каменном угле, его используют для кадмирования неблагородных металлов. Источником загрязнения кадмием являются электронная и лакокрасочная промышленность, осадки сточных вод, сапропели, фосфорные удобрения (содержат от 5 до 100 мг/кг), он выделяется в атмосферу с выхлопными газами автотранспорта, при плавке руд и сгорании топлива. При современном уровне химизации, на каждый гектар сельскохозяйственных земель поступает не более 3 г кадмия, что составляет при массе пахотного слоя 3 млн. кг 0.001 мг кадмия на 1 кг почвы. ПДК кадмия в почве находится в пределах 1-5 мг/кг воздушно-сухой почвы.

Содержание кадмия в организме человека составляет 10-4% от массы. Он концентрируется в почках, печени и костной ткани. Биологическая роль кадмия заключается в регулировании обмена сахара в крови. При избыточном поступлении в организм он, в силу высокой химической активности, замещает кальций в костной ткани, при этом кости становятся непрочными и крошатся. Повышенное содержание этого металла в пище приводит к массовому заболеванию зубов у детей. Кадмий может замещать кальций в ферментах и разрушать эритроциты. Он обладает канцерогенным и мутагенным действием. Тяжёлое отравление вызывается сотыми долями грамма соединений кадмия, принятая внутрь повышенная доза (30-40 мг) уже оказывается смертельной. Кадмий выводится из организма очень медленно (0.1% в сутки), единовременное отравление может перейти в хроническое. Для острых отравлений обычен более или менее длительный скрытый период. Начальными периодами токсикоза являются сухость слизистых оболочек, сладкий вкус во рту, головная боль в области нёба, белок в моче, дисфункция половых органов, нарушение нервной системы, острые костные боли в спине и ногах, снижение обоняния и так называемая «кадмиевая кайма»- золотистое окрашивание дёсен в области зубных шеек. К сожалению, вещество почти невозможно изъять из природной среды. Металл всё больше накапливается в ней, а потому и попадает разными путями в пищевые цепи человека и животных. Дело ещё и в том, что кадмий легко переходит из любого типа почв в растения, последние поглощают его из почвы (до 70%) и из воздуха (до 80%). Известна история, как цинковый рудник в Японии загрязнил кадмием реку Дзинцу. Около полутораста человек умерло от атрофии костного скелета. Этот случай вошёл в историю эндемических отравлений тяжёлыми металлами пол названием «болезнь итай-итай», и фармакологическими предприятиям пришлось специально разработать реагент (бета-2 микроглобулин) для определения кадмия в моче.

К лицам повышенного риска в отношении отравления кадмием относят женщин 40 лет и старше, беременных, кормящих матерей, детей грудного и младшего возраста, людей с нарушением фосфорно-кальциевого обмена и заболеванием почек и печени. У курящих людей в организме больше кадмия, чем у некурящих (в одной сигарете содержится примерно 2 мг кадмия). Табак угнетает иммунную систему, снижает сопротивляемость человеческого организма к ядам, в т. ч. и к тяжёлым металлам. Предполагается, что кадмий концентрируется в протеиновой части растений, поэтому, в отличие от других тяжёлых металлов, он в больших количествах может накапливаться и в генеративных органах. Эту сторону проблемы необходимо учитывать при производстве пищевых продуктов.

Данный металл обуславливает медную недостаточность, что является причиной абортов и нежизнеспособности потомства, высокая его концентрация вызывает бесплодие у самцов. Из-за высокого содержания этого элемента люди, особенно в возрасте 40-50 лет, могут заболевать хроническим гастритом.

Кадмий считается токсичным элементом для растений. Основная причина его токсичности связана с нарушением активности ферментов. Кроме того, одна из причин заключается в антагонизме между кадмием и цинком. Суть в том, что кадмий по своим свойствам близок к цинку и может замещать его во многих биохимических процессах. Высокое содержание кадмия в растениях может приводить к цинковой недостаточности с вытекающими последствиями. Обычные концентрации кадмия в растениях находятся в пределах 0.2-0.8 мг/кг массы. ПДК кадмия в кормах 3 мг/кг.

В водоёмах кадмий почти исключительно встречается в виде двухвалентного катиона, в виде органических соединений его нет. Токсичность кадмия в водоёмах зависит от жёсткости воды, кислотности, а также от содержания ионов и металлов. Кальций и магний понижают в жёсткой воде токсичность кадмия, а цинк, наоборот, повышает. В первую очередь кадмий попадает в водоёмы при поверхностной обработке металлов для защиты от коррозии и при переработке руд, которые не содержат железа. В бытовых сточных водах также может содержаться много кадмия. ПДК для кадмия в бытовой воде 0.01 мг/л.

6. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами

Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, не смотря на очистные мероприятия содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу. В составе атмосферной пыли содержится около 12 тыс. т ртути, причем значительная часть – антропогенного происхождения. Около половины годового промышленного производства этого металла (910 тыс. т/год) различными путями попадает в океан. В районах, загрязняемых промышленными водами, концентрация ртути в растворе и взвесях сильно повышается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды в высокотоксичную метилртуть. Заражение морепродуктов неоднократно приводило к ртутному отравлению прибрежного населения. Свинец – типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых организмах.

Загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями предприятиями металлургической промышленности определяется спецификой их производственной деятельности: непосредственное производство свинца и его соединений; попутное извлечение свинца из других видов сырья, содержащих свинец в виде примеси; очистка получаемой продукции от примеси свинца и т.д.

В 1995 г. из общего выброса свинца металлургической промышленностью в атмосферу (671 т) около 98,4% приходилось на предприятия цветной металлургии. Из 640 кг в год свинца, сбрасываемого в водные объекты со сточными водами, 570 кг (89%) принадлежало предприятиям, производящим цветные металлы. Сравнительно небольшие выбросы свинца предприятиями черной металлургии Российской Федерации определяются отсутствием в сырье сколь-либо значительного содержания свинца, хотя в ряде развитых стран мира наличие в рудном сырье и скрапе свинца создает серьезные экологические проблемы в доменном, мартеновском и электроплавильном пределах.

99,86% выбрасываемого в атмосферу свинца приходится на долю 11 из 30 предприятий цветной металлургии, в том числе около 94% этого металла выбрасывают 5 предприятий: Среднеуральский медеплавильный завод (291 т/год); АО «Святогор» - Красноуральский медеплавильный комбинат (170 т/год); Кировградский медеплавильный комбинат (114 т/год); АО «Дальполиметалл» (28 т/год); завод «Электроцинк» (16 т/год).

Анализ источников выброса свинца показал:

57% свинца выбрасывается в атмосферу с большими объемами запыленных газов отражательной плавки медного (свинецсодержащего) сырья, которые на всех заводах, использующих эту технологию, направляют в дымовые трубы без пылеочистки;

37% свинца выбрасываетс с конвертными газами из-за отсутствия или недостаточности степени очистки их от богатой по содержанию свинца возгонной пыли;

существенным фактором является недостаточная эффективность существующих на предприятиях цветной металлургии средств пылеулавливания.

Загрязняя почву, цинк и фтор вызывает снижение урожая не только благодаря прямому токсическому действию, но и изменяя соотношение питательных веществ в почве. Растворимые соединения перемещаются по почвенному профилю с нисходящим током почвенных растворов и могут попадать в грунтовые воды. Загрязнение почвы разрушает почвенную структуру, снижает водопроницаемость почв и угнетающе действует на рост микроорганизмов, понижает ферментативную активность почв, снижает урожай растений.

Следует отметить усиление токсичности тяжелых металлов при их совместном воздействии на живые организмы в почве. Совместное воздействие цинка и кадмия оказывает в несколько раз более сильное ингибирующее действие на микроорганизмы, чем при такой же концентрации каждого элемента в отдельности. Поскольку тяжелые металлы и в продуктах сгорания топлива, и в выбросах металлургической промышленности встречаются обычно в различных сочетаниях, то действие их на природу, окружающую источники загрязнения, бывает более сильным, чем предполагаемое на основании концентрации отдельных элементов.

Вблизи предприятий естественные фитоценозы предприятий становятся более разнообразными по видовому составу, так как многие виды не выдерживают повышения концентрации тяжелых металлов в почве. Количество видов может сокращаться до 2-3, а иногда до образования моноценозов. В лесных фитоценозах первыми реагируют на загрязнения лишайники и мхи. Наиболее устойчив древесный ярус. Однако длительное или высокоинтенсивное воздействие вызывает в нем сухостойкие явления.

Выявление загрязнения почв тяжелыми металлами производят прямыми методами отбора почвенных проб на изучаемых территориях и их химического анализа на содержание тяжелых металлов. Эффективно также использование для этих целей ряд косвенных методов: визуальная оценка состояния фитогенезов, анализ распространения и поведения видов – индикаторов среди растений, беспозвоночных и микроорганизмов.

Для выявления пространственных закономерностей проявления загрязнения почв используют сравнительно-географический метод, методы картирования структурных компонентов биогеоценозов, в том числе и почв. Такие карты не только регистрируют уровень загрязнения почв тяжелыми металлами и соответствующие изменения в напочвенном покрове, но позволяют прогнозировать изменение состояния природной среды.

Выявление уровня токсичности тяжелых металлов непросто. Для почв с разными механическими составами и содержанием органического вещества этот уровень будет неодинаков. В настоящее время сотрудниками институтов гигиены предприняты попытки определить ПДК металлов в почве. В качестве тест-растений рекомендованы ячмень, овес и картофель. Токсичным уровень считался тогда, когда происходит снижение урожайности на 5-10%. Предложены ПДК для ртути – 25 мг/кг, мышьяка – 12-15, кадмия – 20 мг/кг. Установлены некоторые губительные концентрации ряда тяжелых металлов в растениях (г/млн.).: свинец – 10, ртуть – 0,04, хром – 2, кадмий – 3, цинк и марганец – 300, медь – 150, кобальт – 5, молибден и никель – 3, ванадий – 2.

Защита почв от загрязнений тяжелыми металлами базируется на совершенствовании производства. Например, на производство 1 т хлора при одной технологии расходуют 45 кг ртути, а при другой – 14-18 кг. В перспективе считают возможным снизить эту величину до 0,1 кг. Новая стратегия охраны почв от загрязнения тяжелыми металлами заключена также в создании замкнутых технологических систем, в организации безотходных производств.

7. Классификация твердых отходов черной металлургии, их характеристики

Классификация отходов производства возможна по различным признакам, среди которых основными можно считать следующие:

по отраслям промышленности – черная и цветная металлургия, рудо- и угледобывающая промышленность, нефтяная и газовая и т.д.;

по фазовому составу – твердые (пыли, шламы, шлаки), жидкие (растворы, эмульсии, суспензии), газообразные (оксиды углерода, азота, соединение серы и др.);

по производственным циклам – при добыче сырья (вскрышные и овальные породы), при обогащении (хвосты, шламы, сливы), в пирометаллургии (шлаки, шламы, пыли, газы), в гидрометаллургии (растворы, осадки, газы).

На металлургическом комбинате с замкнутым циклом (чугун-сталь-прокат) твердые отходы могут быть двух видов – пыли и шлаки. Довольно часто применяется мокрая газоочитска, тогда вместо пыли отходом является шла. Наиболее ценными для черной металлургии являются железосодержащие отходы (пыль, шлам, окалина), в то время как шлаки в основном используются в других отраслях промышленности.

При работе основных металлургических агрегатов образуется большое количество тонкодисперсной пыли, состоящей из оксидов различных элементов. Последняя улавливается газоочистными сооружениями и затем либо подается в шламонакопитель, либо направляется на последующую переработку.

Шламы можно разделить на:

шламы агломерационных фабрик;

шламы доменного производства:

газоочисток доменных печей;

б) подбункерных помещений доменных печей;

шламы газоочисток мартеновских печей;

шламы газоочисток конвертеров;

шламы газоочисток электросталеплавильных печей.

богатые (55-67%) – пыль и шлам газоочисток мартеновских печей и конвертеров;

б) относительно богатые (40-55%) – шламы и пыли аглодоменного производства;

в) бедные (30-40%) – шлам и пыль газоочисток электросталеплавильного производства.

Основными характеристиками шламов являются химический и гранулометрический состав, однако при подготовке шламов к утилизации необходимо знать такие параметры, как плотность, влажность, удельный выход и др. Следует отметить, что пыли (шламы) металлургических предприятий по химическому составу отличаются друг от друга, поэтому эти характеристики представлены далее в усредненном виде.

Шламы пылеулавливающих устройств доменной печи образуются при очистке газов, выходящих из нее. Перед ними устанавливаются радиальные или тангенциальные сухие пылеуловители, в которых улавливается наиболее крупная пыль, которая возвращается в аглопроизводство как компонент шихты. Химический состав шламов по основным компонентам, %:Feобщ 30-50;СаО 5.0-8.5; SiO2 6.0-12%; MgО 1.5-2.0; Soбщ 0.2-0.9; Собщ 2.5-30; Al2О3 1.2-3.0; P 0.015-0.05; Zn 0.05-5.3. Плотность их колеблется в пределах 2.7-3.8 г/см, удельный выход в среднем составляет 2.75-3.84%. Коэффициент использования этих шламов изменяется (для разных предприятий) довольно значительно – от 0.1 до 0.8. Это довольно тонкодисперсный материал: фракции >0.063 мм до 10-13%, 0.016-0.032 мм от 16 до 50% и 1%), что требует предварительного обесцинкования шламов.

8. Перспективы развития

В обозримой перспективе должны произойти существенные изменения в техническом состоянии металлургического комплекса, в процессах природопользования, что позволит в значительной степени решить многие экологические проблемы. Только в цветной металлургии ожидается снижение количество вредных загрязняющих выбросов на 12 – 15% и на подавляющем большинстве предприятий будут достигнуты нормы предельно допустимых выбросов. Рост применения систем разработки с закладкой выработанного пространства в районах добычи сырья на 20%, предусмотренный программой развития металлургии в России, позволит наряду с улучшением технических показателей при добыче руд обеспечить сохранность земной поверхности в горном отводе, значительно снизить расход материалов на крепление, в том числе очень дорогостоящих металлов.

Огромнейшие резервы и возможности решения экологических проблем заключены в комплексности переработки сырья, в полном использовании полезных компонентов в его составе и месторождениях.

Список использованной литературы:

Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2002 году» // Министерство природных ресурсов РФ, Москва, 2003 г.

Справочное пособие «Защита атмосферы от промышленных загрязнений» // Под редакцией С. Калверта и Г.М. Инглунда (перевод с английского), Москва «Металлургия», 1988 г.

Справочное пособие по географии «География хозяйства России», «Физическая география» // Пашканг К. В.

Анализ производственно-хозяйственной деятельности предприятий черной металлургии // Юзов О. В., Москва «Металлургия», 1980 г.