Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические процессы в техносфере. Учебное пособие
.pdf
11
Для оценки степени накопления вещества на границе раздела фаз используется
уравнение Ленгмюра:
где – количество адсорбированного вещества;
– масса адсорбента;
–
коэффициент, зависящий от свойств адсорбента;
– коэффициент, зависящий от свойств адсорбированного вещества;
– равновесная концентрация химического вещества
Десорбция - процесс обратной адсорбции, но проходит не до конца, так как
причиной неполной десорбции вещества является встраивание его в
кристаллическую структуру; либо химическое взаимодействие с органическим
веществом почвы.
Диффузия - физический процесс, в ходе которого молекулы, атомы или ионы в
результате теплового Броуновского движения перемещаются из области высокой
концентрации в область с меньшей концентрацией этого вещества.
Используют уравнением Фика для определения перенесенного вещества dm:
где – коэффициент диффузии;
– площадь поверхности, через которую осуществляется диффузия;
– градиент концентрации;
– время, в течение которого осуществляется перенос вещества через границу
раздела фаз.
12
В конкретном объеме почвы диффузия идет медленно, значительно медленнее,
чем в свободной жидкости.
Конвекция (конвективный массоперенос) – представляет собой принудительное
перемещение растворенных веществ потоком воды.
Дисперсия (дисперсионный перенос) – перераспределение (соответственно
перемешивание) растворенных веществ в движущейся в порах воде, вызванное
неоднородностью полей скоростей потока.
Перенос на границе вода-воздух. Перенос вещества в природных условиях из
водного раствора в атмосферу называется летучестью (или фугитивностью). Этот
процесс осуществляется в результате диффузии. Обратный перенос называется сухим
осаждением, оба эти процесса относятся к динамическим процессам.
Скорость фугитивности определяется как поток массы вещества, проходящий
через границу вода-воздух; она определяется как количество вещества, прошедшего
через единицу площади в единицу времени. Эта скорость пропорциональна разности
концентраций вещества в водной среде и воздухе.
где – разность концентраций вещества в воде и газовой фазе;
F – это скорость фугитивности (м/с);
К – скорость общего массопереноса, которая рассчитывается по формуле:
где
– скорость переноса вещества в воде;
– скорость переноса в воздухе;
– универсальная газовая постоянная;
– абсолютная температура;
– постоянная Генри.
13
Перенос на границе почва-воздух. Транспортные процессы между почвой и
атмосферой являются наиболее сложными, так как здесь большое значение имеют
обменные процессы, протекающие в почве на границах жидкость – твердая фаза,
жидкость-газ, твердая фаза-газ.
Переход вещества из почвы в атмосферу за счет диффузии, в природных
условиях называют летучестью из почвы, а обратный процесс - сухим осаждением в
почву. Химические вещества, которые внесены в почву, переносятся из более
глубоких слоев к обедненному слою, благодаря конвекции и капиллярным явлениям.
Распространение загрязняющих веществ может происходить и за счет их
накопления при поступлении в живые организмы. Известно, что химические
вещества обладают способностью поглощаться и усваиваться всеми живыми
системами. Если скорость поступления химического соединения в живой организм
становится равной скорости его выделения из организма, то в этом случае наступает
состояние равновесия, а концентрация данного вещества при этом считается
концентрацией насыщения. Если концентрация загрязняющего вещества в организме
окажется выше концентрации этого вещества в среде обитания данного живого
организма, то это свидетельствует об аккумуляции химического соединения в живой
системе. Данный процесс является неблагоприятным, так как загрязняющие вещества
оказывают негативное воздействие на состояние здоровья человека и другие живые
организмы.
Аккумуляция загрязняющих химических веществ наземными и водными
организмами может происходить в результате различных процессов. Выделяют три
пути поступления химических соединений в живые организмы:
биоконцентрирование, биоумножение и биоаккумуляция.
Биоконцентрирование – это процесс аккумуляции в организме химического
вещества, поступающего из окружающей среды, при этом не учитывается
загрязнение химическим соединением продуктов питания;
Биоумножение - это процесс аккумуляции химического вещества,
поступающего в организм непосредственно в процессе питания. В природной водной
14
среде биоумножение идет одновременно с процессом аккумуляции химического
соединения из окружающей среды.
Биоаккумуляция – это процесс аккумуляции в организме химического
соединения при его поступлении из окружающей среды и в процессе питания.
Явление биоконцентрирования, то есть накопление химических веществ в
тканях растений и животных в процессе их нормальной жизнедеятельности,
относится к важнейшим биологическим факторам, определяющим динамику
перемещения химических элементов на нашей планете. Для характеристики эффекта
используют коэффициент биоконцентирования. Так, для большинства тяжелых
металлов, обнаруженных в растениях, величина коэффициента биоконцентирования
находится в пределах 102-105, если концентрацию измерять в граммах металла,
содержащихся в одном грамме воды или сухого растения соответственно.
Особенностью биоумножения в природных водных объектах является
протекание данного процесса одновременно с процессом биоконцентрирования. Так,
в процессе питания в организм человека из окружающей среды поступает около 70 %
токсичных веществ. Почти в пять раз возросло содержание нитратов и продуктов их
трансформации и распада в продуктах питания, растет степень загрязнения продуктов
питания радионуклидами и тяжелыми металлами. Так, в половине образцов
сливочного масла обнаружены медь, цинк, железо, свинец в дозах, превышающих
ПДК.
В реально сложившихся условиях обеспечение качества и безопасности
продовольственного сырья и пищевых продуктов становится самой важной
проблемой человечества.
Загрязняющее вещество не представляет опасности в том случае, если оно не
может попасть в живой организм. В противном случае, многие загрязняющие
вещества накапливаются в тканях организма при извлечении их из абиотической
фазы (воздуха, почвы, воды) и при передаче по трофическим цепям. Этот процесс
относится в процессу биоаккумуляции. При биоаккумуляции может быть достигнута
поражающая концентрация в критических тканях организма, что приведет к
негативному воздействию не только на данный живой организм, но и скажется на
15
состоянии других организмов, которые используют данный биологический вид в
качестве пищи.
Самые благоприятные условия для протекания процесса биоаккумуляции
складываются в природных водных объектах, где обитают многочисленные
гидробионты, обладающие способностью отфильтровывать большие объемы воды,
содержащие загрязняющие вещества, и накапливать в своем организме токсиканты в
концентрациях в тысячи раз больше, чем их находится в водной среде.
При этом если химическое вещество при поступлении в организм не принимает
участие в метаболических процессах и не выводится из организма, то начинается
процесс обогащения организмов данным веществом по всей пищевой цепи. Может
происходить усиление процесса накопления ядов в пищевых цепях при ограниченной
подвижности животных, содержащих в себе яд и ослабленных вследствие этого, так
как такие животные становятся легкой добычей для хищников, чем все остальные.
Распространение загрязняющих веществ может происходить под действием
абиотических факторов (географический перенос), а также при участии живых
организмов (биотический перенос).
Географический перенос загрязнения в пространстве обусловлен действием
физических механизмов в компонентах окружающей среды, например, атмосферный
перенос фтор- и хлорсодержащих углеводородов в верхние слои атмосферы,
рассматриваемый как основная причина разрушения озонового экрана биосферы.
Другим примером может служить перенос радиоактивного загрязнения в результате
Чернобыльской катастрофы с атмосферными массами под действием ветра в
Подмосковье, Беларусь, Скандинавию. В качестве третьего примера может быть
назван перенос речными водами химических загрязняющих веществ, сбрасываемых
в реки промышленными предприятиями Кузбаса, в северные районы Сибири,
являющийся одной из причин загрязнения речного бассейна Оби и прибрежных
морей Северного Ледовитого океана.
Абиотический перенос загрязнения из одной компоненты среду в другую также
обусловлен действием физических факторов. Например, загрязнение гидросферы
пестицидами происходит в результате их смыва дождями с полей. Это пример
16
переноса загрязнений из почвы в водную среду. Кислотное загрязнение почвы
(серной и азотной кислотами) может быть вызвано путем вымывания осадками из
атмосферы оксидов серы и азота (перенос из атмосферы в почву).
Загрязнение окружающей среды по своим масштабам может быть локальным,
региональным и глобальным, но все эти три вида загрязнения связаны между собой.
Сначала происходит локальное загрязнение, которое в том случае, когда скорость
процесса загрязнения превышает скорость природного самоочищения, переходит в
региональное. В случае продолжения процесса накоплении количественных
изменений в окружающей среде, региональный масштаб загрязнения переходит в
глобальный.
Биотический перенос. Перемещение вещества в экосистемах происходит по
пищевым цепям. Пищевой цепью называется ряд живых организмов, в котором одни
организмы поедают предшественника по цепи и в свою очередь оказываются
съеденными теми, кто следует за ними. Основные функции пищевой цепи – перенос
веществ и энергии в экосистемах.
Загрязняющие вещества, присутствующие в пище, не усваиваются
организмами согласно принципу Линдемана, а накапливаются в них, что приводит к
аккумуляции загрязнения в организмах, располагающихся на верхних трофических
уровнях экосистем. При этом, чем длиннее трофическая цепь, тем меньшие
коэффициенты накопления регистрируются, так как при миграции химических
веществ по цепям питания они подвергаются процессам деструкции и
трансформации.
1.3 Круговорот биогенных элементов в окружающей среде
В биосфере миграция химических элементов осуществляется двумя путями: из
окружающей среды в живые системы и обратно, из живых организмов во внешнюю
17
окружающую среду. Особенностью биогенной миграции является накопление или
аккумуляция химических элементов, поступивших из внешней окружающей среды, в
живых системах и дальнейшее их высвобождение вследствие разложения отмершей
биомассы. Такие пути миграции химических веществ, осуществляющиеся через
животных и растительные организмы с использованием солнечной энергии,
называются биогеохимическими круговоротами.
Биогенные элементы делят на две группы: макротрофные и микротрофные
вещества. К макротрофным относятся углерод, водород, кислород, азот, фосфор,
калий, кальций, магний, сера. Из этих химических элементов синтезируются ткани
живых организмов. Микротрофные вещества также необходимы живым организмам,
но в гораздо меньших количествах, поэтому их называют микроэлементами, к числу
которых относятся железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор,
ванадий и кобальт.
Круговороты биогенных элементов характеризуются их трансформацией под
действием абиотических и биотических факторов.
На рисунке 1.2 представлена схема круговорота азота в биосфере, который
характеризуется химическими превращениями его неорганических соединений в
виде нитратов в органические соединения (белковый азот). Азот, содержащийся в
белках, трансформируется затем в мочевину, распадающуюся на аммиак, а при
участии микроорганизмов снова трансформируется в азот в виде нитратной формы.
Причем, как видно из рисунка 1.2, превращения азотсодержащих примесей
осуществляются по биологическому и химическому механизмам.
18
Рисунок 1.2 – Круговорот азота в биосфере
Значительная часть углерода, как одного из биогенных элементов, содержится
в биосфере в виде углекислого газа, который в процессе фотосинтеза при участии
автотрофных организмов трансформируется в органическое вещество, используемое
консументами для питания. После гибели организмов при участии редуцентов идет
процесс разложения «мертвой органики», на конечной стадии которого снова
выделяется углекислый газ. Кроме этого, СО2 поступает в атмосферу при дыхании
растений и животных (рисунок 1.3).
Углерод в биосфере находится не только в виде СО
2,
но может встречаться в
связанном состоянии в виде алмазов, графита, каменного угля. Углерод входит также
в состав горючих полезных ископаемых, находится в биосфере в виде карбонатных
минеральных образований (кальцит и доломит).
19
Рисунок 1.3 - Круговорот углерода
Как уже отмечалось, к числу макротрофных биогенных элементов относится
фосфор, который преимущественно находится в биосфере в связанном состоянии в
виде форфатов, содержащихся в горных породах (рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 - Круговорот фосфора
20
Фосфор усваивается растениями лишь при условии повышения кислотности
почвенного раствора, в этом случае практически нерастворимые фосфаты
трансформируются в фосфорную кислоту, которая характеризуется хорошей
растворимостью. Значительная часть фосфорных соединений попадает в воды
мирового океана, где мигрирует и трансформируется в трофических цепях.
Сера также относится к макротрофным веществам, поэтому в ее круговороте в
окружающей среде большую роль играет живое вещество биосферы (рисунок 1.5).
Сера содержится во всех объектах окружающей среды. В атмосфере в виде SO₂, SO₃,
H₂S, которые поступают с выбросами от искусственных и природных источников
загрязнения атмосферы. В литосфере сера встречается в виде минеральных
образований сульфидов железа, свинца, цинка. В водных объектах и почвенных
растворах сера присутствует в виде сульфат-ионов. Именно в виде сульфатов сера
используется растениями для биосинтеза аминокислот и белков.
Рисунок 1.5- Круговорот серы
Трансформация соединений серы в окружающей среде происходит достаточно
сложно. Так, как уже отмечалось, сера в живых организмах находится в структуре
молекул аминокислот и белков. После гибели организмов в процесс разрушения
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]