Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические процессы в техносфере. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Оренбургский государственный университет»
Т.Ф. Тарасова
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В
ТЕХНОСФЕРЕ
Учебное пособие
Рекомендовано ученым советом федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский
государственный университет» для обучающихся по образовательным программам
высшего образования по направлениям подготовки 20.03.01 Техносферная
безопасность и 05.03.06 Экология и природопользование
Оренбург
2024
УДК 502.22(075.8)
ББК 20.1я73
Т19
Рецензент - доцент, доктор биологических наук Е. В. Сальникова
Т19
Тарасова, Т. Ф.
Физико-химические процессы в техносфере : учебное пособие / Т. Ф.
Тарасова; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург : ОГУ, 2024. – 139 с.
ISBN
В учебном пособии дается анализ физико-химических процессов,
протекающих в объектах окружающей среды, обсуждаются процессы,
влияющие на распространение химических загрязняющих веществ и
способствующие изменению их химической структуры. Изложены
теоретические основы трансформации загрязняющих веществ в окружающей
среде под действием абиотических и биотических факторов. Рассмотрены этапы
проведения исследований, направленных на оценку степени воздействия
загрязняющих веществ на состояние атмосферы, гидросферы и литосферы.
Учебное пособие предназначено для обучающихся по образовательным
программам высшего образования по направлениям подготовки 20.03.01
Техносферная безопасность, 05.03.06 Экология и природопользование и
магистров 05.04.06 Экология и природопользование 20.04.01 Техносферная
безопасность.
УДК 502.22(075.8)
ББК 20.1я73
ISBN
© Тарасова Т. Ф., 2024
© ОГУ, 2024
3
Содержание
Введение ............................................................................................................................... 5
1 Физико-химические процессы в окружающей среде ................................................... 7
1.1 Источники химического загрязнения в техносфере ............................................... 7
1.2 Распространение загрязняющих веществ в окружающей среде ........................... 9
1.3 Круговорот биогенных элементов в окружающей среде ..................................... 16
1.4 Контрольные вопросы ............................................................................................. 23
2 Физико-химические процессы в атмосфере ................................................................ 24
2.1 Строение и состав атмосферы ................................................................................ 24
2.2 Фотохимические реакции ........................................................................................ 28
2.3 Трансформация соединений азота в атмосфере .................................................... 32
2.4 Трансформация соединений серы в атмосфере .................................................... 35
2.5 Трансформация соединений углерода в атмосфере ............................................. 37
2.6 Контрольные вопросы ............................................................................................. 40
3 Физико-химические процессы в гидросфере .............................................................. 42
3.1 Основные сведения о гидросфере .......................................................................... 42
3.2 Загрязнение гидросферы ......................................................................................... 46
3.3 Особенности физико-химических процессов в гидросфере ................................ 52
3.4 Поведение и трансформация примесей, содержащихся в природных водных
системах .......................................................................................................................... 55
3.5 Трансформация металлов и их соединений в водных системах ......................... 62
3.6 Поведение загрязняющих веществ в водных системах в аэробных и
анаэробных условиях ..................................................................................................... 72
3.7 Миграция и трансформация некоторых тяжелых металлов в природных водах
.......................................................................................................................................... 77
3.8 Контрольные вопросы ............................................................................................. 83
4 Физико-химические процессы в почве ........................................................................ 85
4
4.1 Состав и свойства почвенного покрова ................................................................. 85
4.2 Факторы почвообразования .................................................................................... 88
4.3 Почвообразующие породы как фактор почвообразования ................................. 89
4.4 Климат как фактор почвообразования ................................................................... 91
4.5 Организмы и их роль в почвообразовании ............................................................ 93
4.6 Рельеф и время как факторы почвообразования ................................................... 96
4.7 Антропогенное воздействие на почвенный покров .............................................. 99
4.8 Трансформация химических веществ в почве .................................................... 100
4.9 Трансформация галогенов в почвах ..................................................................... 109
4.10 Трансформация тяжелых металлов в почве ...................................................... 111
4.11 Контрольные вопросы ......................................................................................... 115
5 Тестовые задания по дисциплине «Физико-химические процессы в техносфере»
........................................................................................................................................... 117
Заключение ....................................................................................................................... 136
Список использованных источников ............................................................................ 138
5
Введение
Физико-химические процессы, протекающие в объектах окружающей среды,
являются одними из наиболее актуальных экологических проблем современности. С
увеличением техногенного воздействия загрязняющие вещества стали основными
причинами увеличивающейся экологической опасности для здоровья людей, так как
происходит масштабное загрязнение окружающей среды веществами антропогенного
происхождения, вступающих в химическое взаимодействие с компонентами
атмосферного воздуха, гидросферы и литосферы, изменяющими материальный
состав этих объектов окружающей среды. Специфические особенности этих
превращений связаны как с природными, так и с антропогенными факторами. Знание
механизмов и кинетики образования конечных продуктов реакций необходимо для
разработки методов защиты окружающей среды от промышленных загрязнений.
Усиление техногенного воздействия на природную среду вызвало деградацию
качества окружающей среды и породило целый ряд связанных с этим проблем,
наиболее острая из которых – состояние атмосферного воздуха.
Атмосферные процессы занимают важное место в формировании
климатических условий на Земле, в круговороте веществ и обеспечении устойчивости
биосферы. Химический состав воздуха оказывает непосредственное влияние на
живые организмы, использующие для дыхания атмосферный кислород и
потребляющие воду, поступающую с атмосферными осадками.
По сравнению с другими геосферами Земли атмосфера имеет ряд присущих
только ей особенностей – высокую подвижность, изменчивость ее компонентов,
своеобразие физико-химических процессов. Состояние атмосферы определяет
тепловой режим поверхности Земли, ее озоновый слой защищает живые организмы
от жесткого ультрафиолетового излучения. Распределение тепла и влаги в атмосфере
– основная причина существования природных зон на Земле, определяющих
6
особенности гидрологического режима, состояние почвенно-растительного покрова
и важные процессы формирования рельефа.
Негативное воздействие загрязняющих веществ, содержащихся в атмосфере, на
состояние почвенно-растительного покрова происходит вследствие выпадения
«кислотных» дождей, которые растворяют и вымывают питательные органические
вещества, соединения кальция и микроэлементов из почвенных горизонтов, а также
вследствие нарушения процессов фотосинтеза, замедляющего рост и развитие
растений и приводящее к их гибели. Кроме этого, в результате производственной
деятельности человека синтезируются новые, чуждые природе химические вещества,
обладающие сильными токсическими свойствами. В настоящее время атмосферу
можно рассматривать в качестве «химического котла», на который оказывают
воздействие не только антропогенные факторы, но и физико-химические процессы,
происходящие в окружающей среде.
Ввиду продолжающегося роста промышленного и сельскохозяйственного
производства появляются новые химические соединения, которые под действием
различных физико-химических процессов, происходящих в окружающей среде,
могут подвергаться абиотическим и биотическим превращениям. Специфические
особенности этих превращений связаны как с природными, так и с антропогенными
факторами. Знание основ физико-химических процессов, происходящих в
окружающей среде, механизмов и кинетики образования продуктов реакций, в
которых участвуют загрязняющие окружающую среду вещества, необходимо для
разработки методов защиты окружающей среды от промышленных загрязнений.
Поэтому в учебном издании «Физико-химические процессы в техносфере»
рассматриваются основные физико-химических процессы, протекающие в различных
объектах окружающей среды, особенности распространения, трансформации и
миграции загрязняющих веществ, их накопление и химические превращения в
атмосфере, гидросфере и литосфере.
7
1 Физико-химические процессы в окружающей среде
1.1 Источники химического загрязнения в техносфере
«Техносфера» - это часть биосферы, которая при использовании технических
средств была преобразована человеком, с целью удовлетворения его материальных и
социально-экономических потребностей. Установлено, что настоящее время в
результате процессов, приводящих к формированию техносферы, 80 % населения
нашей планеты проживает в искусственно преобразованной части биосферы или в
зоне перехода от техносферы к биосфере.
С одной стороны, техносфера обеспечивает высокий уровень комфортности
среды обитания человека, способствует обеспечению защиты человека от
неблагоприятных факторов. Но с, с другой стороны, в настоящее время в техносфере
происходит нарушение природных химических и фазовых равновесий в объектах
окружающей среды. Повергаются загрязнению атмосферный воздух, почвенный
покров, изменяются в худшую стороны показатели качества поверхностных и
подземных вод. В сфере обитания человека постоянно существует и непрерывно
действует мир естественных процессов, техногенных и антропогенных явлений,
влияющих на степень загрязнения окружающей среды химическими веществами.
Загрязнение - привнесение в окружающую среду или возникновение в ней
новых (обычно не характерных для нее) вредных химических, физических,
биологических агентов.
С экологических позиций загрязнение представляет собой комплекс помех в
экосистемах, воздействующий на потоки энергии и информации в пищевых цепях.
Следовательно, рассматривая процесс загрязнения в широком смысле, с позиции
теории помех, загрязнение можно классифицировать следующим образом:
1) ингредиентное загрязнение - совокупность веществ, количественно или
качественно чуждых биогеоценозам (могут быть минеральными - отходы, отвалы и
8
органическими - бытовые стоки, ядохимикаты, отходы пищевой промышленности и
т.д.);
2) параметрическое загрязнение - изменение качественных параметров
окружающей среды (шумовое, световое, тепловое, радиационное, электромагнитное);
3) биоценотическое загрязнение - воздействие на состав и структуру популяций
живых организмов (нерегулируемый отлов, нарушение баланса популяций);
4) стациально-деструктивное загрязнение - изменение ландшафтов и
экологических систем в процессе природопользования (эрозия почв, осушение
земель, вырубка лесов и т.д.).
В результате антропогенного воздействия объектами загрязнения химическими
веществами являются атмосфера, гидросфера и литосфера (таблица 1.1).
Таблица 1.1 – Источники загрязнения объектов окружающей среды
Объекты окружающей
среды
Основные источники
загрязнения
Основные вредные
вещества
Атмосфера
промышленность, транспорт,
тепловые электростанции
оксиды углерода, серы,
азота, органические
соединения,
промышленная пыль
Гидросфера
сточные воды, утечки нефти,
автотранспорт
тяжелые металлы, нефть,
нефтепродукты
Литосфера
отходы промышленности и
сельского хозяйства,
избыточное использование
удобрений
пластмассы, резина,
тяжелые металлы
Любое химическое загрязнение – это появление химического вещества в
непредназначенном для него месте. Загрязнения, возникающие в процессе
деятельности человека, являются главным фактором его вредного воздействия на
природную среду.
9
В техносфере в результате производственной деятельности человека из года в
год растет количество веществ, выбрасываемых в атмосферный воздух, в природные
водные объекты и почву. Так как все объекты окружающей среды находятся в тесной
взаимосвязи между собой, загрязняющие вещества под действием физических
факторов распространяются в атмосфере, гидросфере и почве. Однако миграция
происходит неравномерно, поэтому возникают территории, характеризующиеся
высоким уровнем загрязнения, угрожающим здоровью человека, оказывающим
негативное воздействие на животных и растительный покров.
При этом необходимо учитывать, что загрязняющие вещества обладают не
только свойством распространяться в объектах окружающей среды под действием
различных факторов, но и свойством трансформироваться, формируя опасные зоны
загрязнения химическими веществами.
1.2 Распространение загрязняющих веществ в окружающей среде
Распространение загрязняющих веществ – свойство веществ выходить за
пределы района их применения, что способствует появлению данного вещества во
всех объектах окружающей среды.
Выделяют несколько стадий распространения загрязняющих веществ в
окружающей среде: перенос между различными объектами окружающей среды,
миграция в атмосфере, гидросфере и литосфере, а также перенос, связанный с
потреблением и накоплением загрязняющих веществ в живых организмах.
Распределение химических соединений между воздухом, водой и почвой
происходит в соответствии с их физико-химическими свойствами. При этом факторы
окружающей среды играют решающую роль. На рисунке 1.1 представлена схема
переноса веществ в экосфере.
10
Рисунок 1.1 - Схема процессов переноса веществ в экосфере
Возможны следующие варианты миграции химических соединений между
различными объектами окружающей среды: перенос на границе почва-вода, водавоздух и почва-воздух.
Перенос на границе почва-вода. Распространение загрязняющих веществ на
границе между почвой и водой может происходить в процессе загрязнения
природных вод, а также в том случае, если в почву вносятся химические средства
защиты растений. Загрязняющие вещества могут поступать в почву с атмосферными
осадками. Носителями загрязняющих веществ могут служить поверхностный сток, а
также почвенные воды. Установлено, что в процессе миграции химических веществ
через границу между почвой и водой приоритетная роль отводится адсорбции.
Адсорбция – накопление химического вещества на поверхности почвы,
оценивается через коэффициент адсорбции – отношение содержания
адсорбированного вещества на поверхности почв к содержанию этого вещества в
воде.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]