Презентация "Химия и окружающая среда"


Подписи к слайдам:
Лекция 11. 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 окружаю­щей среды.
  • Экологический мониторингсистема наблюдений и контроля за изменениями в составе и функциях различных экологических систем.
  • В экологическом мониторинге активно используют различные химические, физико-химические, физические и биологические мето­ды анализа.
  • Цель мониторинга: определение кон­центрации 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 коли­чество 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 веще­ствами.
  • 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.