Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы промышленной экологии. Курс лекций
.pdf
снег, находится основная масса облаков (т.е. влаги). Область повышенного давления называется тропопаузой. Выше располагается
стратосфера, где давление и температура уже заметно ниже. Там
постоянно дуют сильные ветры, имеющие свое происхождение от
вращения Земли – стратосфера как бы проскальзывает, отставая от
этого вращения. Естественно, что направление вращения всегда одно
и то же, а скорости ветра, частично завися и от местных особенностей,
достигают ≥ 100 км/ч. Если случается прорыв тропопаузы (при пыльных бурях или взрывах ядерных устройств), попавшие в стратосферу
пыль и радиоактивность за считанные часы разносится на всю площадь шарового пояса и затем долгие годы выпадает из атмосферы на
поверхность Земли. Долгие сроки выпадений из стратосферы (и ее
очищения) объясняются тем, что пыль как бы «вморожена» в стратосферные скоростные потоки, а тропопауза препятствует выпадениям.
Откуда берется тропопауза? Почему область повышенного давле-
ния возникает именно на этой высоте? Почему не выше и не ниже?
Откуда берется энергия, чтобы температура и давление повысились?
Энергия, конечно же, солнечная, но также и от космических лучей, идущих из глубин космоса. В вакууме космического пространства корпускулярное излучение Солнца и частицы космического излучения летят без столкновений, но, погружаясь во все более плотные слои атмосферы, испытывают все больше столкновений, отдавая
в этих столкновениях свою энергию молекулам воздуха, т.е. разогревая их, отчего и давление повышается, так как давление по своей сути есть сумма ударов частиц. Таким образом, принимая энергию из
космоса, атмосфера защищает все живое на Земле от части жесткого
корпускулярного излучения. Более того, мы всегда должны помнить,
что эволюция всего живого на Земле происходила «под зонтиком»
атмосферы, без которого мы жить не можем.
Рассмотрим циркуляцию воздушных масс тропосферы. Она определяется расположением океанов и континентов, завися также и от
местных условий: рельефа местности, распределения влаги и др.
Водная масса морей и океанов аккумулирует тепло, сохраняет его.
Континентальная среда быстрее нагревается, но и быстрее охлаждается в силу большей теплопроводности горных пород. Над прогреваемыми центрами континентов существует восходящий поток нагретого воздуха. На его место с периферии континентов подтягивается более холодный и более влажный воздух побережий. Общая
циркуляция тропосферы очень похожа на то, как топится русская
печь (рис. 5.3).
71
Рис. 5.3
Точно также осуществляется циркуляции воздушных масс тропо-
сферы (рис. 5.4).
Рис. 5.4
Рассмотрим особенности циклональной деятельности в тропосфе-
ре над территорией России. Циклоны, как известно, представляют
собой крупномасштабные атмосферные вихри, имеющие диаметр от
50 до 800 км, в среднем 300 км. Иногда в сводках погоды по телевизору показывают космоснимки циклонов.
Циклоны зарождаются в Атлантике под воздействием Гольфст-
рима (рис. 5.5) и свою энергию берут из Гольфстрима. К этому грандиозному океанскому течению, его происхождению, его влиянию на
судьбы Европы и мира, мы будем неоднократно возвращаться.
В открытом океане водные массы увлекают воздух, и они движутся
совместно без помех. Пока соседние струи текут с одинаковой скоростью нет причин для образования вихрей. Как только скорости соседних
струй по каким- либо причинам станут различными, на границе тотчас
72
Рис. 5.5
же возникнет вихрь, который как подшипник облегчит проскальзывание струй друг по другу. Такие вихри можно наблюдать в реке. Раз образовавшись, водоворот или вихрь живет удивительно долго. Невольно
создается впечатление, что, уже образовавшись, он продолжает черпать
энергию из соседних струй, т.е. подкручивается ими. Так на самом деле
и происходит, и это имеет далеко идущие последствия.
Итак, пока Гольфстрим течет в открытом океане, причин для образования циклонов в основном нет. Достигая побережий Европы, течение
(и сцепленный с ним атмосферный поток) своим краем зацепляется за
сушу и замедляется – это и есть причина образования циклонов. Каким
краем зацепится, в ту сторону циклон и закрутится. Энергии циклонов
чудовищны. Образовавшись на побережьях Европы, вихрь уже в значительной степени живет самостоятельно, продолжая увеличивать свою
энергию, т.е. раскручиваясь. Центробежные силы отжимают воздух к
его периферии, так что в центре образуется область пониженного давления, которую при приближении циклона и показывают барометры.
Куда же направится это отдельное, самостоятельное, мощное,
энергонасыщенное новообразование тропосферы? Естественно, к
центру континента Евразии (как топится русская печь). Проходя над
территорией Западной Европы, эта область пониженного давления
как насосом забирает в себя газовые выбросы промышленных зон
Рура, Бельгии, Польши и несет их на территорию России.
Естественно, энергия циклона постепенно тратится на трение, вращение его замедляется, давление выравнивается и захваченные загрязнения Западной Европы постепенно «высеваются» на российскую территорию по ветровому маршруту циклонов. Направления этих маршрутов на западной границе России показаны на картосхеме (рис. 5.6).
73
74
Рис. 5.6
Итак, над европейской территорией России «ветер дует в Азию».
Туристы, ходившие по Уралу, это очень хорошо знают. На верхних
склонах Урала растут так называемые деревья-флаги со скошенной
на восток кроной. Конечно, речь идет о результирующем ветре, так
сказать итоговом, среднестатистическом. Внутри этой статистики
ветер может дуть по розе ветров в любом направлении.
Относительное распределение загрязнений на маршруте циклона
примерно такое же, как и влаги. Если в Западной Европе обычно
800…900 мм осадков, то у нас над центром Русской равнины
700…600 мм, в Поволжье 500…400 мм, за Уралом 350…300 мм, на
∼
склонах Алтая 250…200 мм, за Алтаем, во Внутренней Монголии
150…100 мм.
Естественно, что с востока к тому же центру Азии движутся с берегов Тихого океана аналогичные атмосферные образования, только
в отличие от европейских циклонов они называются (так сложилось
исторически) муссонами.
Обратим внимание на то, что в современную эпоху центры всех
континентов заняты пустынями. Главной причиной этого является
деятельность человека, в основном связанная с сельскохозяйственной вспашкой почвы и выпасом скота. Но в центре континентов эта
деятельность (в отличие от такой же деятельности на побережьях)
уже является критической для обедненных влагой территорий и приводит к разрушению природных экосистем. Известно, что Сахара в
доисторическое время была цветущей страной с обилием влаги, растительности, животных. Сейчас аппаратурой, установленной на геоцентрических спутниках (спутники,
неподвижно висящие над какойлибо точкой земной поверхности)
произведена покадровая съемка
облачности над Сахарой.
Оказалось, что облака огибают
Сахару (рис. 5.7). Это и понятно,
сейчас над Сахарой мощный
восходящий поток перегретого
воздуха. А если каким-то чудом
его можно было бы прекратить,
то облака снова пошли бы через
Рис. 5.7
Сахару и принесли бы туда влагу.
Кстати, Сахара расположена как раз на пути постоянных пассатных
ветров, несущих влагу с океана.
75
Трансграничный перенос загрязнений можно рассчитать. Для этого
необходимо измерить содержания микроэлементов в снеге вдоль ветрового маршрута циклона. Эта работа пока выполнена только для региона Карелии и Кольского полуострова. Ветровые маршруты циклонов для этой территории показаны на карте (рис. 5.8).
Рис. 5.8
Но сначала остановимся подробней на методике работы с природ-
ными водами и снегом. Эта методика уже применялась нами в локальной задаче загрязнения вокруг металлургического комбината и
нормирования атмосферных выбросов металлургических производств в разделе 4.
Определение валового содержания микроэлементов в природных
водах отличается некоторыми методическими особенностями. Природные воды представляют собой полидисперсные системы, в которых микроэлементы существуют в двух основных формах: взвешенной и растворенной. Соотношение между ними зависит от типа вод и
физико-химических свойств микроэлементов. Для получения полной
информации о содержании тяжелых металлов в водах необходимо
определить обе эти формы. Анализ взвешенных частиц обычно не
76
вызывает трудностей и осуществляется с применением различных
спектральных методов: эмиссионного, рентгенофлюоресцентного,
нейтронно-активационного, атомно-абсорбционного. Последний метод требует более сложной подготовки образцов. Для определения
микроэлементов в растворенной форме чаще всего необходимо их
предварительно концентрировать, что связано с недостаточной чувствительностью перечисленных методов анализа, а также с наличием
в водах высоких содержаний других растворенных органических и
неорганических веществ (матричных соединений).
Концентрирование микроэлементов проводят физическими (дистилляция, кристаллизация, сублимация, фильтрование и др.), физикохимическими и химическими методами (флотация, хроматография,
сорбция, экстракция, осаждение, соосаждение и др.). Наибольшее
распространение для концентрирования микроэлементов получили
экстракция и соосаждение.
Соосаждение – это процесс, когда микроколичества элементов
увлекаются из раствора осадком труднорастворимого соединения за
счет абсорбции и совместной кристаллизации, которые действуют в
той или иной мере одновременно. При этом соосадитель либо вводят в раствор, либо он образуется в нем в результате химической
реакции.
Впервые метод соосаждения применили М. Кюри-Склодовская и П.
Кюри для выделения двух новых элементов – полония и радия. Позднее
И. и Ф. Жолио-Кюри с помощью метода соосаждения открыли радиоактивные изотопы фосфора и кремния, О. Ган и Г. Штрассман – радиоактивные изотопы лантана и бария, Г. Сиборг с сотрудниками – плутоний
и ряд других трансурановых элементов. Большой вклад в изучение методов соосаждения внесли первоначально В.Г. Хлопин, затем О. Ган
с сотрудниками.
Таким образом, с помощью метода соосаждения сделаны основные открытия в радиохимии и ядерной физике.
Исследованы неорганические и органические соосадители.
В данной методике для предварительного концентрирования микроэлементов из природных вод методом соосаждения использован
8-меркаптохинолин, достоинствами которого является высокий коэффициент концентрирования (>10
4
), большая устойчивость его
внутрикомплексных соединений с микроэлементами, широкий
спектр соосаждаемых элементов, а также отсутствие необходимости
77
введения отдельного соосадителя. В данной системе в качестве соосадителя используется избыток реагента – комплексообразователя
8-меркаптохинолина, который добавлением окислителя (Н
2О2
) пере-
водится в форму 8,8′-дихинолилдисульфида, эффективно осаждающую микроэлементы.
Тиооксин синтезирован А. Эдингером в 1908 г. В настоящее вре-
мя тиооксин производится по усовершенствованной схеме и выход
реагента, синтезируемого в виде натриевой соли тиооксина, вдвое
больше, чем по методу Эдингера, т.е. по отношению к исходному
веществу – хинолину выход составляет 40 %.
Интересно отметить, что в 1943 г. тиооксин был признан непри-
годным для аналитических целей реагентом. Однако, несмотря на
это, спустя несколько лет В.И. Кузнецов и Ю.А. Банковский начали
изучение тиооксина. С тех пор, т.е. более 60 лет, проводятся систематические исследования химии тиооксина и его производных, а
также возможностей анализа различных объектов с применением
реагентов этого класса.
Методика предварительного концентрирования с 8-меркаптохино-
лином применима для концентрирования микроэлементов до
10
–10
…10
–11
г/г при степени осаждения 93…98 % для 22 металлов: Fe,
Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Cd, Hg, Pb, Bi, Sb, Mo, W, V, Cr, Ga, In, Sn, Ag,
Au, Pd, Pt.
Степени соосаждения всех этих металлов при оптимальных для
каждого pH приведены в табл. 5.1 и на номограмме рис. 5.9. Эта методика предназначена для природных вод, содержащих железо в
ионной форме < 5 мг/л. При большем количестве железа необходимо
давать избыток тиооксината натрия в раствор. Следует подчеркнуть
методическую важность наличия в пробе именно избытка тиооксината натрия. В растворе он, прежде всего, реагирует с железом, которого в природных водах практически всегда на 1…2 порядка больше
других микроэлементов; при недостатке реагента может возникнуть
неполное концентрирование из раствора некоторых других металлов,
которые образуют негидролизуемые водой сульфиды, с получением
пятичленных внутрикомплексных соединений.
78
Таблица 5.1
2
3
2
2
2
2
2
Интервалы pH и степень максимального соосаждения металлов в виде
тиооксикантов на коллекторе 8,8′-дихинолилдисульфиде
Тиооксинат
металла
Fe(C9H6NS)
Co(C9H6NS)
Ni(C9H6NS)
Mn(C9H6NS)
Cu(C9H6NS)
Zn(C9H6NS)
Cd(C9H6NS)
Hg(C9H6NS)
Pb(C9H6NS)
Bi(C9H6NS)
Sb(C9H6NS)
∗
При нагревании.
Интервал рН
количественно-
го соосаждения
2,8..11 98 MoO2(C9H6NS)
3
2,3…10 98 WO2(C9H6NS)
2,3…13 98 VO(C9H6NS)
2
Степень
соосаж-
дения, %
Тиооксинат
металла
Интервал рН
количественного соосаждения
3…5 96
2,2…5,3 95
4…6,4 98
2
5,8…10 97 Cr(C9H6NS)3* 3,8…5,2 94
2…13 98 Ga(C9H6NS)
4…10 97 In(C9H6NS)
2
2,4…10 98 Sn(C9H6NS)
3,7…6,8 93
3
3
3…8,7 95
2,5…9,5 95
x
2,4…10 98 Ag(C9H6NS) 3,6…11 97
4,8…9 95 Au(C9H6NS)
2
2,5…12 97 Pd(C9H6NS)
3
2,5…7,6 98 Pt(C9H6NS)2* 3,5…12 98
3
2,3…8,4 97
3
2
2…12 98
Степень
соосажде-
ния, %
Рис. 5.9
79
Достоинства данной методики
1. Исключение погрешности от осаждения металлов на стенках
сосудов при хранении природных вод в бутылях.
2. Исключение необходимости транспортирования воды в бутылях.
3. Существенное ускорение процесса фильтрования по сравнению
с фильтрованием при атмосферном давлении или под вакуумом.
4. Возможность приготовления фильтров без каких-либо задержек
непосредственно в полевых условиях, при отсутствии источников
электропитания.
5. Компактность и удобство хранения фильтров, дающие возмож-
ность накапливания банка образцов.
6. Возможность визуального колориметрического контроля каче-
ства вод по цвету и плотности фильтра.
7. Возможность повышения чувствительности анализа простым
увеличением количества обработанной воды.
Анализ может быть осуществлен любым методом: атомно-абсорб-
ционным, рентгенофлюоресцентным, нейтронно-активационным,
эмиссионным спектральным.
Для подготовки фильтров к химическому анализу методом аб-
сорбции фильтры помещаются на сутки в 10 мл пятинормальной
азотной кислоты. Этого количества раствора обычно достаточно для
определения 10–12 металлов; 3…5 мл полученного раствора используют для распыления в пламя и 1…2 мл для введения в кювету атомно-абсорбционного спектрофотометра.
Каждую пробу анализируют три раза. Это подтверждает воспроизводимость результатов и позволяет создавать банк данных. Схема установки для фильтрования под давлением приведена на рис. 5.10. В качестве обратного клапана используется велосипедный ниппель. Краны
и тройники изготавливаются из стекла. Остальные детали – соединительные трубки, переходники, воздушный фильтр – могут быть взяты из стандартных комплектов для переливания крови.
Для отбора проб снега используются трубы диаметром 80, 100 и
120 мм из изоляционного материала с нанесенной на наружную
стенку разметкой высоты в сантиметрах. Общее количество снега
для четырех литров пробы необходимо брать по массе
5 кг (с запа-
∼
сом). Для набора этого количества снега труба несколько раз погружается в снег до земли и с наклоном в сторону поднимается из шурфа вместе с колонкой снега. Каждый раз замеряется высота взятой
колонки снега. Сбор снега производится в полиэтиленовые мешки,
но каждый раз в новые, вымоченные в воде пробы. При стаивании
снега измеряется суммарный объем получившейся воды в кубиче-
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]