Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы промышленной экологии. Курс лекций
.pdf
ских сантиметрах; одновременно это же число дает суммарную массу воды в граммах. Объем взятого снега вычисляется по суммарной
высоте отобранной колонки снега и известному диаметру трубы. Таким образом может быть вычислена удельная масса снега. Вся вода
пробы перемешивается с усреднением микроэлементного состава и
разливается по бутылям «под горло», т.е. объем каждой составляет
1100 мл.
∼
Рис. 5.10
Избежать, хотя и кратковременного, хранения исследуемых вод в
бутылях и колонках для фильтрования невозможно, поэтому необходимо соблюдать ряд требований, сводящих к минимуму указанную
выше погрешность от сорбции микроэлементов на стенки сосудов.
Вначале, после изготовления колонок и приобретения посуды, все
поверхности, соприкасающиеся с исследуемыми водами, один раз
промывают тридцатипроцентной азотной кислотой и затем несколько раз бидистиллятом. Сорбция металлов на стенки сосудов происходит по экспоненциальному закону, причем сорбционное равновесие достигается в течение нескольких часов. В связи с этим, до начала эксплуатации, необходимо в течение суток замачивать бутыли и
колонки водой пробы и несколько раз сменить воду, чтобы сорбционные процессы вышли на насыщение. «Состаренные» таким образом бутыли и колонки в дальнейшем не промываются и не используются для других целей. Целесообразно разделить колонки: одни
использовать только для фильтрования взвесей (первое фильтрование), другие – для фильтрования растворов тиооксинатов металлов
(второе фильтрование). Вся посуда, в том числе колонки, бутыли,
81
банки, пипетки тщательно предохраняется от загрязнения. В результате этого погрешность от сорбции микроэлементов на стенки будет
пропорциональна разнице конечных частей («хвостов») экспонент,
что на порядок снизит указанную погрешность при всех прочих равных условиях. При переходе на другой тип вод процедуры очистки и
состаривания посуды повторяются.
Лавсановые фильтры для фильтрования вод под давлением изготавливаются в лаборатории ядерных реакций Объединенного института
ядерных исследований (г. Дубна Московской области), а также в Физико-химическом институте им. Карпова, (г. Обнинск Московской области). Тонкие лавсановые пленки толщиной 10…12 мкм пристреливаются
на ускорителе тяжелыми ионами. Они выпускаются с размерами пор от
0,03 до 3 мкм. При этом разброс размеров пор составляет ∼ 5 %. Однородность пор ядерных фильтров, их механическая прочность и ненабухаемость много выше, чем у широко известных микрофильтров зарубежных фирм. Для работы удобно использовать фильтры с размером
пор 0,4…0,5 мкм, скважностью
5 %, рекомендованные Международ-
∼
ной комиссией по изучению морей.
Реактивами служат:
1. Тиооксинат (8-меркаптохинолинат) натрия C
NSNa⋅2H
9H6
O. Он
2
выпускается маркой ч.д.а. заводом «Биолар» (г. Олайне, Латвия).
Его дополнительную очистку от микропримесей тяжелых металлов
производят следующим образом. Готовят 1 %-ный раствор тиооксината
натрия в дважды дистиллированной воде и выдерживают в течение часа.
Дважды фильтруют через один и тот же плотный фильтр (Filtrak-90). На
фильтре остаются образующийся 8,8'-дихинолилдисульфид с соосадившимися внутрикомплексными соединениями примесей тяжелых металлов. Полнота соосождения металлов 93…96 % (см. табл. 5.1).
Данная чистота реагента вполне удовлетворительна для его применения в концентрировании микроэлементов из загрязненных природных вод.
Полученный чистый раствор реагента необходимо готовить ежедневно
перед проведением концентрирования из-за постоянного окисления водного раствора тиооксината натрия (раствор мутнеет), что не мешает его использованию в дальнейшем (через 18 ч окисляется 20 % тиооксината).
2. Перекись водорода, х.ч., 10 %-ный раствор.
3. Аммиак, изотермически перегнанный, 10%-ный раствор.
4. Азотная кислота, концентрированная, ос. ч., перегнанная.
5. Дважды дистиллированная вода.
Результаты исследования загрязненности снежного покрова по
ветровому маршруту циклонов в регионе Кольского полуострова и
82
(г. Никель) и в Карелии (г. Костомукша) показаны на рис. 5.11. Видно, что локальные источники загрязнения легко выделяются и не
мешают расчетам трансграничного переноса.
x
Рис. 5.11
Результаты расчетов по модели трансграничного переноса пред-
ставлены в табл. 5.2 и 5.3.
Таблица 5.2
Интегральные потоки загрязнения через границу в районе г. Костомукши
Загрязнение
Снег вблизи границы, 10–9 г⋅год
Поток через границу, кг⋅км
–1
⋅год
Интегральные потоки через границу в районе г. Никель
Загрязнение
Снег вблизи границы,
10–9 г⋅год
Поток через границу,
кг⋅км
–1
⋅год
–1
–1
Zn Cu Mn Ni Co Pb Cd Hg As Se
30 45 2 14 2 3 0,5 2,32 84 27
584 2376 105 739 105 158 26 122 4435 1425
Fe Mn Zn Cu Cd Ni Pb Co
–1
78,0 1,2 16,0 3,0 0,33 1,1 3,0 0,96
–1
4298 66 882 165 18 60 165 53
Тяжелые металлы
Таблица 5.3
Тяжелые металлы
83
6. ГЕНЕТИЧЕСКИ ЗНАЧИМАЯ ДОЗА
РАДИАЦИИ И ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМАЯ ДОЗА
Прежде чем начать рассмотрение радиоактивных явлений, остановимся на единицах измерений.
Концентрацию химического вещества измеряют в мг/л или кг и в
мкг/л или кг. Они соответствуют американским ppm – «partical par
million» (одна частица токсиканта на миллион частиц носителя) и ppb –
«partical par billion» (одна частица токсиканта на биллион частиц носи-
теля). Дело в том, что по-американски «биллион» это наш миллиард. В
безразмерных степенях десятки это соответственно 10
–6
и 10
–9
.
Эти два диапазона в химическом анализе представляют собой два
совершенно различных раздела аналитической химии. Во всем мире, и в
России в том числе, имеется большое количество лабораторий, которые
надежно работают в диапазоне 10
ки можно пересчитать лаборатории, надежно работающие в диапазоне
–9
10
. И это при том, что в последние годы появилось много высоко-
классных точных приборов. Все дело в процедуре проведения химического анализа. Например, на уровне 10
–6
. И буквально по пальцам одной ру-
–9
большинство металлов «ма-
жется», как мел. Требуется большая тщательность при работе с образцами на этом уровне примесей и громадный опыт. Был случай, когда
при работе со слабыми растворами кальция долго не удавалось получить достоверный результат – наблюдалось завышение концентраций
кальция, пока не было обращено внимание на то, что перед анализом
бюксы с кислотным раствором кальция в течение 15…20 мин стояли
открытыми. Этого оказалось достаточно, чтобы побелка, которая всегда
чуть-чуть сыплется с побеленного потолка, безнадежно искажала результат.
С радиоактивными единицами измерений дело сложнее, здесь целых три системы единиц. Количество радиоактивного материала определяют по его активности, измеряемой в кюри (Ku). Это довольно
крупная единица, поэтому чаще используются единицы милликюри,
микрокюри и пикокюри, (mku, mkku и pku). Кюри – внесистемная
единица. В системе СИ применяется беккерель (Бк), физический
смысл которого – 1 распад вещества в секунду.
Радиация в пространстве (допустим, в этой аудитории то, что меряется прибором дозиметром или радиометром) измеряется в рентгенах
(внесистемная единица), физический смысл которой – радиация, при
которой образуется 2,1⋅10
9
пар ионов в 1 см
3
при 0 °С и 760 мм рт. ст.
84
В системе СИ ей соответствует кл/кг. Но нас в первую очередь интере-
γ
γ
сует, что происходит в организме человека под действием радиации –
биологический эквивалент радиации, т.е. бэры, накопленные организмом.
Прибор показывает мкр/ч, т.е. мощность дозы, а не дозу. Для оп-
ределения дозы облучения организма, полученной за год, показание
прибора умножают на число часов в году, т.е. 365 × 24 = 8760 ч и на
коэффициент 2,6.
мкр/ч × 8760 ч/год × 2,6 : 1000 микро/милли = мбэр/год.
Это сложный коэффициент, учитывающий большое число факто-
ров: прежде всего экранировку контрольного органа – гонад вышележащими тканями организма с учетом их геометрии, различной
проницаемости, плотности и т.д. Этот коэффициент учитывает также
состав излучений. Бытовые дозиметры достаточно простые приборы,
они регистрируют только рентгеновское
-излучение. А есть еще α
и β. При атмосферном давлении α-частицы (ядра гелия) летят всего
лишь на 0,5 см. Это тяжелые частицы высокой энергии. Они при
столкновении с молекулами воздуха образуют вторичные β-частицы
(электроны), которые летят при атмосферном давлении на расстояние до 70 см и дают начало
-излучению, которое распространяется
при атмосферном давлении на расстояние до 4 м.
Таким образом, далее расстояния 5 м радиация при атмосферном
давлении не распространяется непосредственно, однако действует опосредованно, когда «горячие» частицы сорбируются на пыли, вместе с
пылью летят на многие километры практически без ограничений.
Пыль – главный переносчик радиации. Поэтому в Чернобыльской
зоне день и ночь военные цистерны с водой разъезжали по асфальтовым дорогам и промывали асфальт. В результате в безветренную погоду можно было пройти по осевой линии асфальтовой дороги шириной 8…10 м через всю зону и не получить ни одного микрорентгена дозы.
Но стоило человеку сойти на обочину и поднять ногами пыль, как
он мог получить какую-либо дозу. Поэтому на дорогах Чернобыльской зоны всюду стояли знаки «кирпич на обочину».
Кроме того, в Чернобыльской зоне и непосредственно на приле-
гающих территориях были заасфальтированы грунтовые дороги,
съезды с шоссе к каждому дому, заменено старое дерево заборов,
85
крыш, колодцев, поскольку пыль сорбируется на деревянных поверхностях.
Для того чтобы замерить радиационную обстановку в помещениях, необходимо проводить измерения «квадратно-гнездовым» методом с интервалом в 10 м и в каждой точке измерять радиацию несколько раз с усреднением результата, допустим в 10 раз, а для
большей точности в 100 раз, поскольку радиационный поток переменный. Спонтанный распад радиоактивных ядер, так же как излучения космоса вариабельны. Поэтому дозиметр, регистрирующий
мощность дозы, накапливает дозу в течение времени, скажем 40 с,
держит эту дозу на мониторе еще 40 с, затем сбрасывает ее и начинает новый отсчет. Если в каждой точке проведено 100 измерений, то
итоговый результат более достоверен и малые отклонения отражают
какие-то постоянно существующие реальные факторы.
Пример одного измерения со 100-кратной повторяемостью приведен на рис. 6.1. На графике справа приведено распределение интенсивности радиации, близкое к кривой Гаусса случайных ошибок.
,
Рис. 6.1
Уже в первом сообщении о своем открытии в 1895 г. В.К. Рентген
предупреждал об опасности облучения организма и рассматривал
средства защиты. На следующий год было опубликовано сообщение
о том, что длительное облучение человека рентгеновскими лучами
привело к серьезным кожным реакциям и выпадению волос. Таким
образом, уже первые исследователи подверглись воздействию про-
86
никающей радиации и опасность его для человека была вполне осознана. В результате через несколько лет была сформулирована концепция «максимально переносимой (толерантной) дозы» облучения.
Первоначально Ф. Роллинзом (Франция, 1902 г.) толерантная доза
определялась как такое количество радиации, которое не вызывало
заметного почернения имевшихся в то время фотоэмульсий при облучении в течение 7 мин. Этот уровень примерно соответствует
мощности дозы 320 бэр в год – доза чудовищная. Общепринятого
метода измерения излучения еще не существовало. О генетических
эффектах воздействия проникающей радиации ничего не было известно. Рассматривались лишь соматические эффекты. В 1925 г.
Матчеллером в США установлена мощность толерантной дозы около
6 бэр в год, т.е. в 50 с лишним раз меньше. В эти и последующие годы в ходе изучения последствий воздействия ионизирующих излучений на клетки живых организмов и обнаружения генетических эффектов само понятие переносимой дозы было заменено термином
предельно допустимая доза (ПДД), а величина ее была снижена еще
в десятки раз. В настоящее время в связи с продолжающимся развитием ядерной технологии вопросы радиационной безопасности приобретают все большее значение. Центральной проблемой попрежнему остается определение генетически безопасной дозы радиации для человека. Лабораторные эксперименты с генетическим материалом микрокультур, растений и животных проводятся широким
фронтом и приносят ценные результаты. Становится ясной опасность
малых доз радиации, действующих в течение длительного времени
повсеместно, на все население, и важность учета отдаленных генетических последствий. По терминологии, разработанной в СССР в послевоенные годы, понятие ППД применяется к персоналу учреждений, непосредственно работающему с ионизирующим излучением,
понятие предела дозы (ПД) как допустимый среднегодовой уровень
облучения – к отдельным лицам из населения, проживающим в зоне,
где уровень облучения может превышать норму, и понятие генетически значимая доза (ГЗД) – для всего населения.
В 1969 г. ГЗД установлена в СССР на уровне 5 бэр за репродук-
тивный период в 30 лет, т.е. 167 мбэр в год от всех источников (Нормы радиационной безопасности, НРБ-69, 1972). Несомненно, что по
мере дальнейшего выявления отдаленных генетических последствий
воздействия малых доз радиации эти нормы могут быть снижены
еще неоднократно. Однако логический предел такого снижения мы
можем представить себе уже сейчас. Для этого необходимо просле-
87
дить возникновение и судьбу радиоактивных изотопов в истории
Земли и биосферы.
По современным представлениям 99,9 % вещества Вселенной составляют водород и гелий. Происхождение тяжелых элементов трактуется большинством авторов как слияние более простых ядер при
столкновениях:
112
H + H=D+ e
111
22 4
D + D = He
11 2
415
He + H = Li
213
42 6
He + D = Li
21 3
448
He + He = Be
22 4
8210
Be + D = B
415
10 4 14
B + He = N и т.д.
527
Заметим, что для того чтобы сблизиться на расстояния, на которых начинает проявляться действие ядерных сил, сталкивающиеся
ядра должны иметь весьма высокие скорости, а частота столкновений, обеспечивающая достаточно большую вероятность лобового
удара, должна быть очень велика, т.е. мы приходим к пониманию
того, что синтез тяжелых ядер возможен в высокотемпературной
сверхплотной плазме звезд. Однако в такой плазме условия существенно равновесны, т.е. всякому прямому процессу (в данном случае
слиянию ядер) соответствует обратный процесс (дробление ядер),
идущий под действием тех же соударений с равной вероятностью.
Необходима неравновесность для того, чтобы образовавшиеся более
тяжелые ядра сохранились. Это возможно только в том случае, если
в течение времени между соударениями плотность плазмы понизится
настолько, что следующего столкновения не произойдет, иными словами, тяжелые элементы генерируются в случае, если в момент синтеза они быстро покидают равновесную область или если происходит быстрое расширение этой области, – взрыв Сверхновой.
По-видимому, такое событие имело место для нашего Солнца
около 5 млрд лет назад, когда в нашей бывшей области пространства
сформировались условия, приведшие к взрыву Сверхновой, остатком
плазмы которого является наше Солнце, а вещество, выброшенное
взрывом из центра и превратившееся в ходе этого взрыва в некоторое
количество тяжелых элементов, пошло на формирование планет сол-
88
нечной системы. В числе этих тяжелых элементов, вероятно, были
образованы все радиоактивные изотопы вплоть до теоретически возможного Z = 137, A = 355…360 (расчеты Э. Ферми). При этом вероятность образования более тяжелых ядер уменьшается с ростом A и
Z, так как для этого необходимо иметь либо каскадный процесс многих последовательных столкновений, либо однократное столкновение многих частиц; и то и другое менее вероятно.
Другая возможность образования тяжелых ядер, когда они в мо-
мент синтеза быстро покидают равновесную область, по-видимому,
может реализовываться в фотосферах звезд, где они и обнаружены
спектральными методами. И в этом случае вероятность образования
более тяжелых ядер уменьшается с ростом A и Z, другими словами,
интенсивности линий элементов в фотосферах звезд должны убывать
с ростом массового числа и заряда ядра.
Непосредственно после образования наиболее короткоживущие
изотопы сразу же распались, остальные вошли в состав вещества Земли,
радиоактивность которого на ранних этапах была более высокой. Затем,
в ходе естественного распада, радиационный фон на поверхности Земли
постепенно снижался. Существенно, что первоначальный спад был более крут не только за счет начальной части экспоненциальных кривых,
но также за счет распада короткоживущих радионуклидов, часть которых в ходе этого процесса исчезла совсем.
Сопоставим геохронологический ход естественного фона радиации
на поверхности Земли с основными этапами биологической эволюции
(рис. 6.2). Такое сопоставление, основанное на расчетах ряда ученых:
В.Г. Хлопина, Х.К. Юри, Г.В. Войткевича, Б.Ю. Левина и других, может быть выполнено в настоящее время с точностью ≥ 20…30 %, достаточной для формулирования надежных качественных суждений. Надежность же радиогеологической датировки палеонтологического материала достаточно высока, например возраст следов древнейших одноклеточных в настоящее время принят в 3,2 ± 0,2 млрд лет, т.е. с точностью ±6 %.
К моменту появления древнейшей жизни в нижнем архее 3,2 млрд
лет назад уровень радиации на поверхности Земли за счет рассеянных
в коре радиоактивных изотопов снизился приблизительно до шестикратного по сравнению с соответствующим современным естественным фоном (В.И. Вернадский, 1954 г.). Общий же уровень радиации
на поверхности Земли был в то время всего в 4 раза выше современного, если учесть облучение за счет космических лучей и принять его
уровень равным современному (табл. 6.1).
89
Рис. 6.2
В эпоху появления многоклеточных (около 2 млрд лет назад) уро-
вень суммарного радиационного фона на поверхности Земли был
примерно вдвое выше современного; ко времени появления первых позвоночных (470 млн лет назад) и древнейших млекопитающих (215 млн
лет назад) он был уже практически равен современному.
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]