ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Кафедра экологии

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Учебно-методическое пособие

Часть 1. Химия атмосферы

Минск 2012

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра экологии

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Учебно-методическое пособие

Минск 2012

УДК 504.06.005 (075.8)

ББК 65.052.852.8я7

Э40

Авторы:

Г.И.Морзак

Рецензенты:

И.А. Трусова, заведующая кафедрой “Металлургические технологии” БНТУ, профессор, д. т. н.;

В.И. Глуховский, заведующий НИЛ «Экопром», к. т. н.

Методическое пособие рассмотрено на заседании кафедры экологии БНТУ и рекомендованы к утверждению.

© БНТУ, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Экологическая химия – наука о химических процессах и взаимодействиях в окружающей среде (ОС), а также о последствиях таких взаимодействий.

Развитие современной промышленности и сферы услуг, а также расширяющееся использование биосферы и ее ресурсов, приводит к возрастающему вмешательству человека в материальные процессы, протекающие на планете. Связанные с этим планируемые и осознанные изменения материального состава (качества) ОС направлены на улучшение условий жизни человека в техническом и социально-экономическом аспектах. В последние десятилетия в процессе развития технологии была оставлена без внимания опасность непреднамеренных побочных воздействий на человека, живую и неживую природу. Это. пожалуй, можно объяснить тем, что ранее считалось, что природа обладает неограниченными способностями компенсировать воздействие человека, хотя уже столетия известны необратимые изменения ОС (н-р, вырубка лесов с последующей эрозией почвы).

Экотоксилогические свойства веществ обусловлены их химическим составом, так что в изолированном состоянии они не имеют никакого значения для человека и природы. После длительной экспозиции, т.е. длительного воздействия, эти свойства начинаю проявляться, Это означает, что эколого-химическое поведение веществ, методы их применения и объемы поступления в биосферу определяют в конечном итоге уровень экспозиции. Последний в комплексе с экотоксилогическими свойствами веществ является основой для оценки воздействия вещества на ОС. Поскольку не все факторы, влияющие на состояние ОС можно измерить количественно, а также поскольку неизвестно оптимальное состояние ОС для человека, в настоящее время проводятся оценки только изменений ее состояния относительно некоторой исходной ситуации. Оптимальным решением было бы изучение всех химических процессов в отдельности, определение их содержания и поведения в ОС, исследование биологических последствий их воздействия. Однако, из-за большого числа загрязняющих химических веществ это невозможно.

На основании структуры и физико-химических свойств вещества можно лишь немногое сказать о его поведении в ОС, необходимо экспериментально исследовать наиболее важные особенности каждого вещества. Важно выяснить длительность воздействия химических продуктов на ОС,

Имеющиеся в настоящее время аналитические методы и приборы позволяют выявить локальные концентрации химических веществ, попадающих в ОС и предпринять необходимые меры для снижения их содержания, а в отдельных случаях и для полного их исключения. Напротив, в глобальном масштабе загрязнения вредными веществами, если и могут быть снижены то только с большими затратами и до некоторого порога безопасности. Поэтому при внедрении прогрессивной технологии или технического процесса необходимо предусматривать применение таких химических материалов и продуктов, глобальное накоплении которых не может привести к вредным последствиям для всей экосферы. Важно помнить, что для многих химических элементов помимо прямого токсического воздействия, характерны и так называемые отдаленные эффекты, которые затрагивают основополагающие функции живых организмов: воспроизводство и биопродуктивность.

Степень их вредности в конечном счете значительно больше, чем в случае токсических эффектов, т.к. угроза создается не для отдельных организмов, а для целых популяций и поколений. В отличие от многих загрязняющих веществ химические элементы не включаются в процессы самоочищения: в ходе миграции они меняют лишь уровень содержания или формы нахождения. Включаясь во все типы миграций и биологический круговорот, они неизбежно приводят к загрязнению важнейших жизненно обеспечивающих природных сред: воды, воздуха, пищи.

ОС – это совокупность природных и природноантропогенных тел, явлений и факторов, прямо или косвенно влияющих на условия жизни человека и связанных с ними вещественным и энергетическим обменом.

В качестве прогнозного показателя интенсивности участия химических элементов в загрязнении ОС А.И. Перельман предложил использовать термин (понятие) «технофильность химического элемента» - отношение ежегодной добычи элемента в тоннах к его среднему содержанию в земной коре. Ферсман предложил для среднего содержания химического элемента в земной коре применять термин «кларк элемента» (н-р, кларк железа равен 4,65%, т.е. таково среднее содержание его в земной коре). Наиболее известные загрязнители ОС – химические элементы (C, Pb, S, P, Hg, Cd) обладают высокой технофильностью (более 10). Вместе с тем, данные свидетельствуют о крайне низком уровне знаний о химических элементах как о загрязнителях ОС. Даже для некоторых элементов с очень высокой технофильностью (Bi, Sn, Br, Sb, W, Ag, Se) нет систематизированных данных с этих позиций. Для многих элементов (Cu, Zn, Cr, As, Cd) отсутствует общая картина их распределения в ОС.

Основными природными компонентами ОС являются геологический фундамент, почва, поверхностные водные системы, подземные воды, атмосферный воздух, живые организмы.

Загрязняющие вещества (поллютанты) – материальные носители загрязнения – связаны с наличием источников загрязнения. Под источником загрязнения понимают:

· вид человеческой деятельности (производство, поливное овощеводство, водная рекреация…);

· конкретные объекты деятельности (завод, свалка, хранилища отходов, транспорт…);

· материальные носители загрязняющих веществ (отходы производства, средства химизации…).

Загрязнение - изменение химических и физических веществ ОС, не связанное с естественными природными процессами. Загрязнение ОС происходит в результате миграции загрязняющих веществ. Миграция – непрерывный комплекс процессов, приводящих к перераспределению химических веществ в природных телах. Этот комплекс включает в себя:

· перевод химических элементов в структурное состояние, форму нахождения, которые обеспечивают их подвижность в данных внешних условиях;

· транспортировку элементов в физических и химических градиентных полях природных тел;

· осаждение;

· концентрирование элемента в результате его взаимодействия с веществом транспортирующего потока или вмещающей его природной системы;

· перевод химических элементов в неподвижное структурное состояние, равновесное с новыми внешними условиями.

Каждая миграционная система (природная) является одновременно транспортирующей и вмещающей средой. В результате миграции может происходить как рассеивание так и концентрирование химических элементов. Процесс рассеивания химических элементов обуславливается их разбавлением или осаждением из транспортирующих потоков. Процесс концентрации происходит в случаях, когда в силу тех или иных физических или химических причин скорость транспортирующего потока в целом или скорость перемещения каких либо составных частиц потока резко уменьшается. Такие участки являются геохимическими барьерами. Вся система от источника поставки элементов до геохимического барьера называется миграционным потоком или цепью распространения загрязняющего вещества. Природные среды, накапливающие загрязняющие вещества являются депонирующими. Перемещение загрязняющих веществ происходит благодаря:

· транспортирующим средам;

· водно-миграционным потокам;

· воздушно-миграционным потокам;

· биологическому поглощению элементов (транслокация) растительностью и далее по цепям питания.

Интенсивность миграции зависит от:

· скорости обмена;

· перераспределения химических элементов между компонентами природной среды;

· физических, физико-химических и биологических свойств природных систем, обуславливающих то или иное соотношение между скоростями перехода элементов в мобильное состояние, скоростями их транспорта и осаждения.

В конечном итоге интенсивность миграции зависит от ландшафтных условий, т.е от специфики сочетания:

· гидрометеорологических

· литолого-геохимических;

· почвенно-ботанических характеристик конкретной территории, ландшафта.

Ландшафт – природный комплекс определяемый как:

· сравнительно небольшой специфичный и однородный участок земной поверхности, ограниченный естественными рубежами, в пределах которых природные компоненты находятся в сложном взаимодействии и приспособлены друг к другу;

· природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, климат, воды, почвы, растительность и животный мир) находятся в сложном взаимодействии и взаимообусловленности, образуя однородную по условиям развития единую неразрывную систему.

Численно интенсивность миграции выражается в виде индекса или коэффициента миграции – относительный показатель, сопоставляющий содержание химического элемента (или его объемную концентрацию) в фиксируемом наблюдении, месте или моменте времени по отношению к такому же состоянию природной среды, принимаемого за базовый.

Распределение химических соединений между воздухом, водой и почвой происходит в соответствии с их физико-химическими свойствами, причем факторы окружающей среды играют решающую роль. Для расчета концентрации загрязняющих веществ в конкретной среде используют такие физико-химические свойства как:

· молекулярная масса;

· давление пара;

· растворимость в воде.

Для прогноза концентрации в соответствующей среде вводится понятие фугитивности (летучести). Фугитивность определяют как способность вещества выйти из той фазы. В которой оно находится в данный момент. Измеряется фугитивность в единицах давления (Па).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: