Химия и окружающая среда

Лекция 11. Химия и окружающая среда Источники загрязнения окружающей среды; естественные и техногенные радионуклиды; радиоэкология; экологическое нормирование – предельно допустимые концентрации; экологический мониторинг окружающей среды; методы аналитической химии, используемые в мониторинге.

Ионизирующее излучение и окружающая среда Материнские ядра: 40К, 232Th, 238U; продукты их радиоактивного распада образуют радиоактивные ряды

Переход радиоактивных изотопов из почвы и горных пород в атмосферу, воды океана , организм животных

Ионизирующее излучение и окружающая среда При работе ядерных реакторов образуются не существующие в природе радионуклиды более 40 элементов Периодической системы. Даже при безаварийной работе реакторов в окружающую среду поступают радиоактивный газ криптон (радионуклид 85Кг), а также небольшие количества 131I, трития и некоторых других радионуклидов. Если попавший в окружающую среду 239Рu прочно фиксируется почвами и практически не переходит в пищевые цепи, то такие радионуклиды, как 137Cs, 131I и особенно 90Sr, по различным пищевым цепям могут оказаться в организме человека. Так как некоторые радионуклиды способны концентрироваться в определенных органах человека (например, 90Sr в костях, а 131I в щитовидной железе), то их накопление в этих органах может привести к тяжелым заболеваниям (например, раку щитовидной железы).

Активность радионуклида Содержание радионуклида в объекте характеризуют через его активность. Единица активности — 1 беккерель (I Бк), 1 Бк отвечает одному распаду в 1 с. Ранее единицей активности было 1 кюри (1 Ки), 1 Ки = 3,7 х 10'° Бк. Сведения о средней активности 40К в воде, почве и некоторых продуктах питания приведены ниже:

Сведения о средней активности 40K в воде почве и некоторых продуктах питания

Составляющие средней годовой дозы излучения человека Согласно принятым в нашей стране нормам, предельно-допустимая доза излучения для жителей России равна не более 5 мЗв за год. Отметим, что годовая доза, отвечающая среднему по нашей стране естественному фону ионизирующего излучения, составляет чуть менее 1 мЗв.

РАДИАЦИОННЫЕ АВАРИИ К особенно тяжелым последствиям с точки зрения распространения техногенных радионуклидов по поверхности Земли приводят аварии, которые происходили на ядерных реакторах (например, авария на Чернобыльской АЭС в 1986 году), или аварии в местах хранения радиоактивных отходов (Кыштым, 1957 год). Всего в атмосферу тогда попало около 300 различных радионуклидов, в том числе 90Sr, 137Cs, 131I ,95Zr, 140Ba. Все перешедшие в окружающую среду сравнительно короткоживущие радионуклиды (131I, 95Zr, 140Ва) уже полностью распались. Основные количества долгоживущих радионуклидов 90Sr и 137Cs оказались в донных отложениях. 137Cs подвержен миграции по поверхности Земли значительно слабее, чем 90Sr, (из-за образования растворимого в воде гидорокарбоната Sr(НСОз)2). Поэтому в настоящее время наибольшую опасность представляет попадание с пищевыми продуктами в организм человека именно 90Sr.

Изучением распределения радионуклидов по поверхности Земли и выявлением связи этого распределения с воздействием ионизирующего излучения на живые организмы занимается радиоэкология — наука, развившаяся в последние десятилетия на стыке биологии, физики и радиохимии. В настоящее время вклад техногенных радионуклидов в среднюю эффективную дозу составляет несколько процентов от общей дозы; он значительно меньше, чем вклад только от природного 222Rn.

Экологический мониторинг Экология — наука о закономерностях взаимосвязей и взаимодействия организмов и их систем друг с другом и со средой обитания. Экологическая химия изучает процессы, определяющие химический состав и свойства объектов окружаю щей среды. Экологический мониторинг — система наблюдений и контроля за изменениями в составе и функциях различных экологических систем. В экологическом мониторинге активно используют различные химические, физико-химические, физические и биологические мето ды анализа. Цель мониторинга: определение кон центрации загрязняющих веществ в различных природных объектах.

Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ (ПДК) - определенные нормы концентрации загрязняющих веществ, не вызывающие нежелательных последствий в природной среде. ПДК установлены для различных объектов — воды (питьевая вода, вода водоемов рыбохозяйственного значения, сточные воды), воздуха (среднесуточная концентрация, воздух рабочей зоны, максимально допустимая разовая ПДК), почв.

Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ (ПДК) Перечень и количество выбрасываемых в окружающую среду загрязняющих веществ включают около 400 тыс. наименований. Прежде всего наблюдению должны подлежать вещества, выброс которых носит массовый характер, и, следовательно, загрязнение ими осуществляется повсеместно. Это, например, SO2,, CO, пыль - для городского воздуха; нефтепродукты, поверхностно-активные вещества - для природных вод; пестициды - для почв. Обязательно следует контролировать и самые токсичные вещества, отличающиеся наиболее низкими ПДК.

Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ Большинство нормируемых загрязняющих веществ для воздуха имеет ПДК в пределах 0,005—0,1 мг/м3: V2O5, неорганические соединения мышьяка, Cr(6+), органические вещества: ацетофенон, стирол и др. Для небольшого перечня веществ ПДК еще меньше: Hg - 0,0003 мг/м3, Pb и его соединения -0,0007, карбонилникель- 0,0005, бенз[α]пирен- 0,000 001 мг/м3. Основное коли чество нормируемых загрязняющих веществ для воды водоемов имеют ПДК 0,1-1 мг/л. Для многих токсичных веществ (например, неорганические соединения Se, Hg). установлена ПДК 0,001—0,003 мг/л. Небольшое число веществ - соединения Ве, диэтилртуть, тетраэтилолово имеют ПДК 0,0001-0,0002 мг/л. Для особенно опасных токсичных веществ, таких, как растворимые соли H2S, активный хлор, бенз[α]пирен, N-нитрозоамины, диоксины, в качестве норматива установлено полное отсутствие их в воде.

ПДК наиболее распространенных органических и неорганических токсикантов в воздухе и в водах (мг/л): Органические соединения ПДК Неорганические соединения ПДК о-хлорфенол 0,0001 Hg(2+) 0,02 фенол 0,001 Pb(2+) 0,1 крезолы 0,001 Cd(2+) 0,3 гваякол 0,01 Sn(2+) 0,6 бензол 0,01 Mn(2+) 0,8 толуол 0,01 Zn(2+) 1,2 нитробензол 0,01 Cu(2+) 1,5 нафтолы 0,1 Ni(2+) 1,6

Аналитическая химия – наука о методах определения качественного и количественного состава веществ и материалов. В данном случае речь идет об определении концентрации загрязняющих веществ в различных природных объектах: природных и сточных водах различного состава, донных отложениях, атмосферных осадках, воздухе, почвах, биологических объектах. Принципиально важно, чтобы нижний предел обнаружения загрязняющих веществ аналитическими методами был не ниже 0,5 ПДК. В связи с чрезвычайно большим количеством выполняемых анализов все большее значение приобретают автоматические и дистанционные методы анализа.

Химические процессы в водах Мирового океана Существует совокупность взаимодействий между находящимися в воде ионами и молекулами, атмосферным углекислым газом и твердым карбонатом кальция. Это приводит к образованию буферной системы с рН 8,0—8,4.

Специфические характеристики общей загрязненности вод Важнейшие из них - ХПК и БПК. ХПК (COD - Chemical Oxygen Demand) — мера общей загрязненности воды содержащимися в ней органическими и неорганическими восстановителями, реагирующими с сильным окислителем. Вычислив отношение ХПК к общему органическому углероду, получают показатель загрязненности сточных вод органическими веще ствами. БПК (BOD - Biochemical Oxygen Demand) - количество кислорода, требующееся для окисления находящихся в воде органических веществ в аэробных условиях в результате происходящих в воде биологических процессов.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ спектроскопические методы анализа, электрохимические методы анализа, хроматографические методы анализа.

Электрохимические методы анализа Потенциометрический метод базируется на измерении электродных потенциалов, которые зависят от активности (концентрации) ионов. Измерительная ячейка состоит из измерительного электрода и электрода сравнения, который не чувствителен к определяемому веществу. Полярографический метод основан на измерении тока в зависимости от нарпяжения ячейки. Полярографическая кривая (полярограмма) имеет несколько изломов (волн) – в зависимости от числа разряжающихся в ячейке ионов. По значению потенциала полуволны определяется вид ионов, в по величине предельного тока – их концентрация. Таким образом, полярографический метод позволяет определять концентрацию нескольких ионов в растворе. Кондуктометрические методы основаны на пропорциональности электропроводности разбавленных растворов концентрации электролита. Эти методы используются для определения общего содержания примесей в воде высокой чистоты.

Хроматографические методы -основаны на многократно повторяющихся процессах адсорбции и десорбции; позволяют разделять и анализировать сложные смеси компонентов. Высокоэффективную жидкостную хроматографию применяют при анализе смесей многих загрязняющих веществ, прежде всего нелетучих. Используя высокочувствительные детекторы: спектрофотометрические, флуориметрические, электрохимические, можно определять очень малые количества веществ. При анализе смесей сложного состава особенно эффективно сочетание хроматографии с инфракрасной спектрометрией и особенно с масс-спектрометрией.. Ионная хроматография удобна при анализе катионного и анионного составов вод.