Предмет и задачи экологической химии

1. Предмет и задачи экологической химии.

Экологическая химия — наука о химических процессах, определяющих состояние и свойства окружающей среды — атмосферы, гидросферы и почв.Раздел химии, посвящённый изучению химических основ экологических явлений и проблем, а также процессов формирования химических свойств и состава объектов окружающей среды.

Предметом экологической  химии являются химические процессы в окружающей среде в связи с изменениями, вносимыми в них деятельностью человека (хозяйственной, военной и иной).В поле зрения экологической химии попадают те части геосфер (верхняя тропосфера и стратосфера Земли), в которых наблюдаются или могут происходить антропогенно обусловленные изменения химических процессов. Экологическая химия является соединением нескольких научных дисциплин: биохимия, аналитическая химия, химия поверхности и сорбции, фотохимия, катализ и др.Задача экологической химии – максимальное уменьшение уровня нагрузки антропогенных воздействий за счет разработки новых или модификации существующих технологических процессов;разработки способов эффективной очистки отходов производств;разработки способов прогнозирования и регуляции уровня химического загрязнения в объектах окружающей среды. Сюда же относят: рекомендации по разработке новых препаратов, употребляемых в сельском хозяйстве и бытовой химии; рекомендации по профилактике других процессов, приводящих к загрязнению окружающей среды; решение вопросов, связанных с порчей пищевых продуктов, деструкцией конструкционных материалов и др.Экологическая химия изучает как естественные химические процессы, происходящие в окружающей среде, так и процесс её антропогенного загрязнения. Одна из задач экологической химии — разработка новых химических технологий, значительно снижающих отрицательное воздействие на окружающую среду, технологий утилизации и обезвреживания отходов, очистки воздуха и сточных вод, ремедиации (восстановления) почв.В практическом плане можно выделить три главные задачи экологической химии:Изменение существующих технологических процессов, направленное на снижение энерго- и ресурсоемкости производств, сведение к минимуму выбросов в атмосферу и гидросферу. Очистка выбрасываемых в атмосферу газов и сбрасываемых в водоемы сточных вод от наиболее вредных веществ. Оценка воздействия на окружающую среду загрязняющих веществ (ЗВ).    Роль экологической химии заключается в оценке скорости трансформации ЗВ зависимости от факторов среды. Кинетические параметры могут затем использоваться в математических моделях для прогнозирования поведения ЗВв объектах окружающей среды. Экологическая химия отличается от классической химии тем, что: многие (но не все) химические процессы протекают в окружающей среде очень медленно; например, граниты медленно реагируют с водным раствором углекислого газа, однако эта реакция за 2 млрд. лет, прошедших от рождения Земли до появления фотосинтеза, снизила содержание СО₂ в атмосфере примерно в 10 раз;очень малые концентрации веществ и реакции с очень малыми выходами имеют такое же значение, как и большие концентрации; например, без взаимодействия азота с кислородом в грозовых разрядах, в котором с выходом в доли процента образуется NO, была бы практически невозможна жизнь в океанах;   число веществ, находящихся в окружающей среде, огромно; значит, число реакций, которые одновременно могут протекать в окружающей среде, тоже огромно; при этом многие реакции влияют друг на друга, причем иногда взаимные влияния очень сложны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                           

2. Общие представления  о химическом загрязнении окружающей  среды

По оценке Всемирной организации  здравоохранения (ВОЗ), из более чем 6 млн известных химических соединений практически используется ло 500 тыс. соединений; из них около 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. являются токсичными.Под загрязнением окружающей среды понимают поступление в биосферу любых твердых, жидких и газообразных веществ или видов энергии (теплота, звук, радиоактивность и т. п.) в количествах, оказывающих вредное влияние на человека, животных и растения как непосредственно, так и косвенным путем.Загрязнения биосферы подразделяют на локальные, региональные и глобальные.

• Локальные загрязнения характерны для городов, крупных промышленных предприятий, районов добычи тех  или иных полезных ископаемых, крупных  животноводческих комплексов.

• Региональные загрязнения охватывают значительные территории и акватории, подверженные влиянию крупных промышленных районов.

• Глобальные загрязнения чаще всего  вызываются атмосферными выбросами, распространяются на большие расстояния от места возникновения  и оказывают неблагоприятное  воздействие на крупные регионы, а иногда и на всю планету.

По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ классифицируются на:

1) газообразные (диоксид  серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.);2) жидкие (кислоты,  щелочи, растворы солей и др.);3) твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и прочие).  

По видам загрязнений выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнение. К физическим относятся: тепловые, шумовые, радиоактивные, электромагнитные загрязнения. К химическим относятся загрязнения тяжелыми металлами, пестицидами, СПАВ, химическими элементами, полимерами. К биологическим загрязнениям относятся биогенные, микробиологические воздействия на природную среду.Под химическим загрязнением понимают увеличение количества химических компонентов определенной среды, а также проникновение (введение) в нее химических веществ в концентрациях, превышающих предельно допустимые концентрации.Оно может быть органическое (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды и др.) и неорганическое (соли, кислоты, щелочи), токсичное (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия и др.) и нетоксичное.Токсичностью называется способность различных химических элементов или их соединений оказывать вредное воздействие на микроорганизмы, растения, животных, человека. Понятие «токсичность» относится не к определенным элементам, например к тяжелым металлам, а к любым химическим загрязняющим веществам, поступающим в биосферу в высоких концентрациях.Среди химических загрязнителей окружающей природной среды к наиболее распространенным относят нефть и нефтепродукты, СПАВ (синтетические поверхностно-активные вещества), пестициды, тяжелые металлы, диоксины и др. 

 

Отрасли промышленности	Преобладающий вид  загрязняющих компонентов
Нефтегазодобывающая, нефтеперерабатывающая	нефтепродукты, СПАВ, фенолы, аммонийные соли, сульфиды
Целлюлозно-бумажная, лесная	сульфаты, органические вещества, лигнины, смолистые и жирные вещества, азот
Машиностроение, металлообработка, металлургическая	тяжелые металлы, взвеси, фториды, цианиды, аммонийный азот, нефтепродукты, фенолы, смолы
Химическая	фенолы, нефтепродукты, СПАВ, ароматические углеводороды, неорганические вещества
Горнодобывающая, угольная	флотореагенты, неорганические вещества, фенолы, взвешенные вещества
Легкая, текстильная, пищевая	СПАВ, нефтепродукты, органические красители, другие органические вещества

 

 

Эти данные свидетельствуют о том, что расширение масштабов техногенной  сферы связано с интенсивным  диспергированием вещества суши, запылен  нем и химическим загрязнением атмосферы, возвратным выпадением аэрозолей, антропогенной  пыли и химических соединений на сушу и поверхностные воды, т. е. химическим загрязнением гидросферы и почвенного покрова.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.15.Биогенные элементы

Биогенные элементы-это элементы входящие в состав живых организмов.В природе в заметном количестве встречается около 50 элементов, из них примерно 25 — биогенные, остальные — второстепенные. Среди биогенных есть макроэлементы, их одиннадцать: углерод, кислород, водород, азот, фосфор, кальций, сера, хлор, магний, калий и натрий. Макроэлементы еще называют органогенами, так как они образуют биомолекулы. Ежедневная потребность человека в них высокая — более 100 мг. Их содержание в организме, с одной стороны, постоянно, с другой — выдерживает без последствий значительные отклонения.Кроме того, в организме находятся микроэлементы:цинк, медь, марганец, йод, бром, кобальт, железо, молибден, фтор, селен и др. Они встречаются главным образом в составе органических и неорганических комплексов, выполняющих различные специальные функции: каталитические, сигнальные и пр. Потребность в них — около 1 мг в сутки, но даже небольшие отклонения в их содержании

в организме вызывают нарушения  и заболевания. Заметим, что у  животных и растений набор макро# и микроэлементов существенно отличается. В частности, калий чрезвычайно важен для растений, а натрий — для животных;аналогично магний и железо.

Биогеохимический  закон (Вернадского). Чем выше атомная масса элемента, тем меньше его содержание в природе и в организме.В целом наличие того или иного элемента в организме определяется следующим:функциями, которые он выполняет;наличием его в природе в доступной, главным образом водорастворимой форме;способностью организма поглощать, удерживать и накапливать этот элемент, его соединения.

Правило Бернала. Лабильные атомы (сера, медь, железо), существенно изменяющиеся в природе, играют главную роль в биохимии,а стабильные (кремний, алюминий), образующие земную кору, — второстепенную.Как у любого правила, здесь имеется ряд исключений,например стабильный кислород.

Железо — регулирование гемоглобина в крови (дыхание, перенос кислорода).

Кальций — образование  костной ткани, свертывание крови, мышечная и сердечная деятельность (генерация электрических потенциалов, сокращение мышечных во.

локон), иммунитет организма.

Кислород, фосфор — энергетика биохимических процессов.Натрий, калий — регуляция водного и солевого баланса, осмотического давления, рН, участие в проведении нервного импульса.Йод — гормональная деятельность, а значит, регулирование обмена, физиологических процессов и функций.

Кобальт, марганец и медь — участие в ферментативных и обменных процессах.Фтор — остеотропные и обменные процессы, иммунитет.

Магний — фотосинтез у растений.Биогены являются связующим звеном между живой и неживой природой.Для них характерна постоянная циркуляция, поддерживаемая солнечной энергией. Например, продуценты (гелиотрофы,производящие органику) осуществляют следующее превращение, используя солнечный свет:

Здесь катализатором является хлорофилл, в состав которого входит катион магния.

Запасая энергию, организмы"продуценты в свою очередь являются пищей для более высоких форм (консументов), которые сами напрямую преобразовать энергию солнца в

энергию химических связей не могут. Последние становятся пищей для высших организмов. Так формируются трофические цепи (в воде и на суше).

Закон зависимости  потребления от численности организмов. В потоках вещества и энергии главную роль играют мелкие организмы, а крупные — незначительную, вспомогательную.Так, например, главные потребители в биосфере — бактерии, грибы и простейшие. За ними стоят черви, моллюски и членистоногие. Доля потребления дикими позвоночными (земноводными, пресмыкающимися, птицами и млекопитающими) очень низка — не более 1% продукции биосферы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ 
ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ БИОСФЕРЫ 
В результате хоз. деят. человека в биосферу поступило более 200 млн т диоксида углерода, около 146 млн т диоксида серы, 53 млн т оксидов азота и другие хим. соед.Побочными продуктами деят-ти промышл. предприятий явились также 32 млрд м3 неочищенных сточных вод и 250 млн т пыли. 
Геологич. деят. чел. превосходит по мощи природные процессы и приводит к резкому ухудшению экологической обстановки на землях горного отвода и прилегающих к ним террит.Массовые взрывы на карьерах стали регулярными и являются очень крупными источниками пыли и ядовитых газов. Как правило, при мощном взрыве пылегазовое облако рассеивает 200—250 т пыли в радиусе 2—4 км от эпицентра взрыва,вызывая загрязнение окруж. среды на прилегающих террит.Резко повышается загрязненность почв и поверхностных вод тяжелыми металлами на террит., прилегающих к отвалам рудников по добыче полиметаллических руд. В качестве топлива в теплоэнергетике используют уголь, нефть и нефтепродукты, природный газ и реже — древесину и торф. Основн. компонентами горючих материалов являются углерод, водород и кислород, в меньших кол-вах содержатся сера и азот, присутств. также следы металлов и их соединений (чаще всего оксиды и сульфиды).В теплоэнерг. источником массированных атмосферных выбросов и крупнотоннажных твердых отходов являются ТЭС и любые промышл. и коммунальн. предпр,работа кот. связана со сжиганием топлива. В состав отходящих дымовых газов входят диоксид углерода, диоксид и триоксид серы и ряд других компонентов.Отходы углеобогатительных фабрик содержат 55-60 % SiO2, 22-26 % А12О3, 5-12 % Fe2O3, 0,5-1 % 
СаО, 4—4,5 % К2О и Na2O и до 5 % С. Металлургические шлаки представляют собой силикатные системы с различным содержанием железа.Те же шлаки содержат тяжелые металлы,мышьяк, сурьму, остатки флотагентов и другие примеси, которые из отвалов и других накопителей отходов попадают в окружающую среду. Сточные воды предприятий цветной металлургии,  наряду с солями тяжелых металлов содержат цианиды, тиоцианаты, сульфиды, сероводород и соединения мышьяка, 
отравляющие гидробиоту и делающие воду непригодной для использования. Металлург. произв-во явл-ся опасн. источником загрязнения атмосферы отход. газами и тверд. выбросами. Производство цветных металлов, сплавов и гальваническое производство поставляют в биосферу Se, As, Sb, Си, Ag, Sr, Zn, Cd, Hg, Al, Sn, Pb, Bi, Mo.Кроме твердых отходов металлургич. и металлообрабат. заводы сбрасывают в реки и другие водоприемники сточные воды, содерж. твердые взвеси, растворы и эмульсии солей, кислот и щелочей, растворимые соединения тяжелых металлов, цианиды и углеводороды.Предпр. хим. промышл. явл-ся источниками менее крупнотоннажных, но значительно более разнообразных и токсичных стоков и выбросов в биосферу. К ним следует отнести  органические растворители, амины, альдегиды, хлор и его производные, оксиды азота, циановодород, фториды, сернистые соединения (диоксид серы,сероводород, сероуглерод), металлорганические соединения, соединения фосфора, ртуть.При сернокислотном производстве происходит выброс больших объемов SO2 и других соединений серы. 
Заводы азотных удобрений выбрасывают в сутки 2—5 т оксидов азота, азотной и азотистой кислот; их концентрация в воздухе на расстоянии 0,5 км от предприятий достигает 1,3 мг/м3. Поставщиками хлора в атмосферу являются предприятия по произ-ву пестицидов, органических красителей, соды, соляной и уксусной кислот, а фтор и его соединения поступают в атмосферу 
в выбросах заводов по производству фосфорных удобрений, эмалей и т. п.Заводы синтетического каучука выбрасывают в воздушный бассейн стирол, толуол, ацетон, изопрен, а содовые заводы — аммиак, оксид фосфора (V), диоксид серы. Так же опасны сточные воды заводов искусств. волокна,коксохим.газосланцевых предприят., содерж. смолистые вещ-ва, фенолы, меркаптаны, органические кислоты, альдегиды, спирты, красители. На 
предприятиях хлорн. промышл. из сточных вод извлек. тысячи тонн дихлор- и трихлорэтана, одновременно предотвращая загрязнение рек и водоемов токсичными соединениями. Основными источниками загрязнения нефтью и нефтепродуктами почв и поверхностных вод суши являются нефтепромыслы на суше и континентальном шельфе, нефтераспределительные пункты и базы,автомобильный транспорт, предприятия нефтеперерабатывающей промышленности. Причиной загрязнений бывают грубые нарушения технологии добычи и переработки нефти и нефтепродуктов,а также различные аварийные ситуации, при которых происходят разливы нефти, нефтепродуктов и вод, содержащих нефть.  
Ошибки и техн. неполадки в процессе бурения и эксплуатации скважин приводят к «залповым» выбросам нефти и нефтяного газа, что вызывает локальные, но очень сильные загрязнения окруж. среды. По мере того как возрастает глубина переработки нефти, увеличив. и кол-во стоков, которые отличаются более сложным составом и включают разнообразные токсич. соед., в том числе пропан, бутан, этилен, фенол, бензол и другие углеводороды.Объем выбросов SO2 на нефтеперерабат. заводе мощностью 12 млн т составляет 219 тыс. т в год, причем их отриц. влияние проявл-ся на расстоянии до 20 км от предпр. Значительно загрязняют почвы и поверхностные воды стоки, содержащие продукты неполного сгорания нефти и нефтепродуктов, отработанные смазочные масла, охлаждающие эмульсии и другие соединения нефтяного происхождения.Нефть и нефтепродукты поступают в Мировой океан в процессе бункеровки топлива, вследствие утечек,при перекачке за борт трюмных вод, из-за неполного сгорания топлива и т. п. Развитие атомной промышл,ядерной энергетики и применение радиоактивных изотопов неизбежно приводят к повышению уровня радиации окруж. среды.Источн. радиоактивного загрязн. биосферы могут быть выпадение радиоактивных аэрозолей, поступивших в стратосферу в рез-те испытаний ядерного оружия; выпадение радиоактивных изотопов, образовавшихся в результате уничтожения в высоких слоях 
атмосферы ядерных энергетических установок; отходы атомной промышл., захороненные с нарушением технологии или потерянные при транспортировке; все виды стоков, сбросов и выбросов при работе и авариях на АЭС, подводных и надводных судах с атомными двигателями; радиоактивные вещ-ва,попавшие в биосферу в результате аварийных ситуаций и несчастных случаев, связанных с атомным оружием; неконтролируемые источники 
радиации (отходы урановых шахт, производства, на которых использ-ся радиоактивные изотопы, заводы по переработке горючих веществ).  
Среднее время пребывания радиоактивных аэрозолей в тропосфере:во всей толще тропосферы оно колеблется от 20 до 30 суток, в трехкилометровом нижнем слое тропосферы составляет от 2 до 10 дней. Вследствие взаимодействия нейтронов с элементами заряда образуется нептуний-239, а при термоядерном взрыве — тритий и уран-237. При 
взаимодействии нейтронов с конструктивными элементами устройства образуются кобальт-60, кобальт-57, вольфрам-185, вольфрам-181,вольфрам-187, рений-188 и родий-102. При взаимодействии с компонентами воздуха образуются аргон-41, углерод-14 и тритий. При взаимодействии с почвой активируются алюминий, кремний,натрий,марганец, железо, кобальт и другие элементы (радиоактивные изотопы с большими периодами полураспада, кот.могут накап-ся на поверхн. почвы: тритий, плутоний-239, плутоний-240, плутоний-238, углерод-14, железо-55, кобальт-60. Другим источником радиоактивного загрязнения биосферы являются радионуклиды, образовавшиеся в процессе работы атомных реакторов.При нормальной работе АЭС в окруж. среду поступают марганец-54, кобальт-58, кобальт-60, иод-131, цезий-134,цезии-137, стронций-89, стронций-90 и тритий.Весьма опасным источником радиоактивного загрязнения являются аварии на предприятиях, вырабатывающих или использующих атомную энергию или радиоактивные материалы. Постоянным источником загрязнения радионуклидами,являются рудники, где добываются урановые и ториевые руды.