Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические процессы в техносфере. Учебное пособие
.pdf
111
зависит от концентрации F, pH и строения минеральной фазы. Минимальное
связывание наблюдается при pH более 7.
4.10 Трансформация тяжелых металлов в почве
К числу актуальных экологических проблем относится загрязнение объектов
окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ). Тяжелые металлы включают в себя
более 40 химических элементов, имеющих атомную массу более 50 а.е.м. Это - цинк,
свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь,
галлий, германий, молибден, сурьма, вольфрам, висмут, кобальт, никель и другие,
характеризующиеся различной степенью опасности.
Тяжелые металлы преимущественно поступают в окружающую среду в
результате производственной деятельности человека. Основными источниками
выбросов тяжелых металлов являются предприятия черной и цветной металлургии.
Технологические процессы обжига цементного сырья и сжигания минерального
топлива также сопровождаются поступлением тяжелых металлов в биосферу.
Загрязнение тяжелыми металлами почвенного покрова может происходить при
орошении сельскохозяйственных земель водой с повышенным содержанием ТМ, в
результате обработки земель пестицидами, имеющими в своем составе тяжелые
металлы, при внесении в качестве удобрений осадков бытовых сточных вод. При этом
под действием воздушных и водных потоков ТМ могут мигрировать из отвалов
промышленных предприятий, образуя зоны загрязнения большого масштаба.
Тяжелые металлы в почве могут находиться в виде солей неорганических и
органических кислот, в виде комплексных соединений, в дисперсной форме. Но в
основном, тяжелые металлы в почве содержатся в виде оксидов, которые в
последствии подвергаются трансформации, протекающей в несколько этапов.
112
На первом этапе оксиды тяжелых металлов вступают в химическое
взаимодействие с веществами, содержащимися в почвенном растворе, при этом
происходит изменение их химической структуры, что, в конечном итоге, приводит к
изменению устойчивости соединений ТМ. Наиболее стабильным в этих условиях
является оксид цинка, растворимость которого в интервале значений pH от 4 до 8 в
100 раз ниже, чем растворимость , и почти в 10000 раз ниже
растворимости оксида кадмия . Оксиды свинца и кадмия являются
неустойчивыми соединениями, поэтому в почвенном растворе трансформируются в
гидроксиды свинца и кадмия, либо в гидрокарбонаты или карбонаты свинца и кадмия.
Ионы тяжелых металлов способны специфически адсорбироваться почвами с
образованием относительно прочных связей координационного типа с некоторыми
поверхностными функциональными группами.
Таким образом, процесс трансформации поступивших в почву в процессе
техногенеза тяжелых металлов включает следующие стадии:
- преобразование оксидов тяжелых металлов в гидроксиды (карбонаты
гидрокарбонаты);
- растворение гидроксидов (карбонаты гидрокарбонаты) тяжелых металлов и
адсорбции соответствующих катионов тяжелых металлов твердыми фазами почв;
- образование фосфатов тяжёлых металлов и их соединений с органическими
веществами почвы.
Рассмотрим поведение некоторых тяжелых металлов в почве (таблица 4. 3).
Таблица 4.3 – Поведение тяжелых металлов в почве
Тяжелый металл
Поведение тяжелого металла в почве
Железо
Железо в очень высокой степени вовлечено в антропогенную деятельность,
оно отличается настолько высокой технофильностью, что нередко говорят о
современном «ожелезнении» биосферы. Аэрация восстановленных
горизонтов почвы, различных отвалов, терриконов приводит к реакциям
окисления, при этом присутствующие в таких материальных системах
113
Продолжение таблицы 4.3
Тяжелый металл
Поведение тяжелого металла в почве
Железо
сульфиды железа преобразуются в сульфат железа с одновременным
образованием серной кислоты:
В таких средах значение pH могут опускаться до 2,5 - 3,0. Серная кислота
разрушает карбонат с образованием гипса, сульфатов магния и натрия.
Периодическая смена окислительно-восстановительных условий среды
приводит к дальнейшему развитию устойчивости кислотной среды c pH 4 –
2,5, причём соединения железа и марганца накапливаются в поверхностных
горизонтах
Свинец
Свинец ингибирует ферментативные реакции, вступает в химическое
взаимодействие с белками. Присутствие повышенных концентраций свинца в
воздухе и продуктах питания представляет угрозу для здоровья человека.
Попадающий при химическом загрязнении в почву свинец сравнительно легко
образует гидроксид при нейтральной или щелочной реакции. Если почва
содержит растворимые фосфаты, тогда
переходит постепенно в
или другие труднорастворимые фосфаты, например,
плюмбогуммит
.
Источником антропогенного поступления свинца в окружающую среду
является производство черных и цветных металлов, а также
горнодобывающая промышленность. Существенное значение для морских и
пресноводных экосистем имеют атмосферные соединения . Показатель
технофильности свинца очень высокий и уступает лишь углероду, хлору и
золоту. Добыча, переработка, выплавка металла сопровождается
рассеиванием свинца биосфере, причём часто в более активный
миграционный способной форме, чем его природные соединения.
Ртуть
Ртуть в природе может находиться в самородном состоянии, а также в виде
минеральных образований киновари тиманита , монтроидита .
Часть ртути находится в растворенном состоянии в океанах.
114
Продолжение таблицы 4.3
Тяжелый металл
Поведение тяжелого металла в почве
Хром
Источником поступления хрома в биосферу является антропогенная
деятельность, в результате которой образуются отходы в виде гальванических
осадков, в виде отходов кожевенных производств, где хром содержится в
составе пигментов и красителей, осадков сточных вод.
Поступающей из антропогенных источников
в пресных водах
восстанавливается до
, а затем собирается взвесью и донными осадками.
Хром
Поступление бытовых стоков в реки способствует созданию анаэробных
условий, характеризующихся падением содержания кислорода и
образованием сероводорода, что в 2,5 - 3 раза снижает долю
от общего
содержания хрома в растворе.
Поскольку в кислой среде инертен, выпадая почти полностью в осадок
при pH 5,5, его соединения в почве весьма стабильны. Напротив,
крайне
нестабилен и легко моделируется в кислых или щелочных почвах. Снижение
подвижности хрома в почвах может приводить его к дефициту в растениях.
В целом, на характер распространения и трансформации тяжелых металлов в
почве оказывают влияние такие факторы, как: гранулометрический состав почвы, рН
среды, содержание гуминовых веществ в почве, катионообменная способность,
дренаж и другие.
Гранулометрический состав почвенного покрова будет влиять на мобильность
тяжелых металлов, на возможность тяжелых металлов образовывать органические и
неорганические структуры с компонентами почвы, а от этого будет зависеть
возможность их дальнейшего распространения в грунтовые воды или их поступление
в растения.
На накопление тяжелых металлов в почве оказывает влияние значение
рН среды и качественный и количественный составы почвенного раствора.
Установлено, что в кислых почвах для таких тяжелых металлов, как свинец, цинк,
медь характерна их адсорбция на поверхности почвы, а в щелочной среде
преимущественно адсорбируются кадмий и кобальт.
115
Одной из особенностей трансформации тяжелых металлов в почве является их
способность образовывать комплексные соединения с органическим веществом
почвы. Это является одной из причин, по которой в плодородных почвах тяжелые
металлы менее доступны для поглощения.
От содержания органического вещества в почве и от ее минералогического
состава зависит и катионообменная способность. В почвах с высокой емкостью
катионного обмена удерживается больше тяжелых металлов, поэтому в растения и
живые организмы их поступает меньше.
При высокой влажности почвы тяжелые металлы могут трансформироваться в
соединения с низшей степенью окисления, обладающие высокой растворимостью, и
как следствие, высокой скоростью распространения. При этом в бескислородных
условиях повышается возможность доступа тяжелых металлов к растениям. Поэтому
регулирование водного режима почвы с помощью дренажных систем приводит к
преобладанию окисленных форм тяжелых металлов и снижению их миграционной
активности.
4.11 Контрольные вопросы
1 Каким составом и свойствами характеризуется почва?
2 Как классифицируются почвы по механическому составу?
3 Какие факторы влияют на процесс почвообразования?
4 К каким последствиям приводит антропогенное воздействие на почву?
5 Какие физико-химические процессы оказывают влияние на миграцию и
трансформацию химических веществ в почве?
6 Каким путем осуществляется трансформация соединений серы в почве?
7 Приведите примеры реакций химических соединений серы в аэробных и
анаэробных условиях.
116
8 Каковы особенности миграции и трансформации соединений фосфора в
почве?
9 Каковы особенности миграции и трансформации соединений азота в почве?
10 Какие физико-химические процессы влияют на поведение тяжелых металлов
в почве?
117
5 Тестовые задания по дисциплине «Физико-химические
процессы в техносфере»
1. Каким из приведенных химических реакций описывают процесс
нитрификации в водной среде.
а)
б)
в)
2. Какие из приведенных химических реакций характеризуют абиотические
окислительные превращения в окружающей среде?
а)
б)
в)
г)
3. Какие из приведенных химических реакций описывают процесс
аммонификации:
а)
б)
в)
4. Какие из приведенных химических реакций могут протекать при
биотических превращениях?
а)
б)
в)
.
5. Какие из перечисленных ниже химических реакций протекают в
стратосфере?
а)
118
б)
в)
г)
д)
6. Какие из приведенных химических реакций описывают процесс
денитрификации в аэробных условиях:
а)
б)
в)
7. Перенос веществ различными физическими факторами называется:
а) географическим;
б) биотическим;
в) биогеографическим.
8. Какие из приведенных реакций описывают химические превращения в
водной среде в бескислородных условиях?
а)
б)
в)
г)
9. Процесс окисления аммиака до нитритов и нитратов называется:
а) аммонификацией;
б) нитрификацией;
в) денитрификацией.
10. Какие из приведенных химических реакций характеризуют абиотические
восстановительные превращения в окружающей среде?
а)
б)
в)
119
11. В какой преимущественно форме находится фосфор в водных системах:
а)
б)
в)
г)
12. В чем проявляются экотоксикологические свойства загрязняющих веществ?
а) оказывают непосредственное воздействие на человека;
б) оказывают влияние на человека косвенно через ухудшение качества среды
его обитания;
в) оказывают непосредственное и косвенное воздействие на человека.
13. Является ли основой для оценки влияния загрязняющего вещества на
окружающую среду длительность его воздействия?
а) да;
б) нет.
14. Для всех переходов химических веществ через границу почва-вода
основную роль играет адсорбция?
а) да;
б) нет.
15. Загрязняющие почву химические соединения адсорбируются…
а) только на минеральной части почвы;
б) только на органической части почвы;
в) не адсорбируются на почве, проникая в нижние почвенные горизонты;
г) на минеральной и органической частях почвы.
16. Какие из перечисленных процессов являются обратными адсорбции?
а) диффузия;
б) десорбция;
в) конвекционный массоперенос;
г) дисперсионный массоперенос.
17. Адсорбция химических веществ на границе почва-вода…
а) не влияет на массоперенос веществ в почве;
120
б) ускоряет массоперенос;
в) замедляет массоперенос;
г) приводит к накоплению химических веществ в почве.
18. По какому из приведенных уравнений можно определить диффузионный
массоперенос?
а)
б)
в)
г)
19. При каких значениях скоростей поступления и выделения достигается
состояние насыщения организма веществом?
а) скорость поступления вещества в организм выше скорости его выделения;
б) скорость поступления вещества в организм ниже скорости его выделения;
в) скорость поступления вещества в организм равно скорости его выделения.
20. Может ли поступать химическое вещество в живой организм из
окружающей среды?
а) да;
б) нет.
21. Может ли поступать химическое вещество в живой организм в процессе
питания?
а) да;
б) нет.
22. Перенос веществ различными физическими факторами называется
географическим. Так ли это?
а) да;
б) нет.
23. В каком из объектов окружающей среды в основном осуществляется
географический перенос?
а) литосфера;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]