|
|
| Воздухоочистители
ru > Словарь терминов: воздух, окружающая среда, очистители воздуха >
Тяжелые металлы
Тяжелые металлы
При кажущейся ясности понятия "тяжелые металлы" его значение следует определить
более четко из-за встречающихся в литературе неоднозначных оценок. Термин "тяжелые металлы"
связан с высокой относительной атомной массой. Эта характеристика обычно отождествляется с
представлением о высокой токсичности. Одним из признаков, которые позволяют относить металлы
к тяжелым, является их плотность. В современной цветной металлургии различают тяжелые цветные
металлы - плотность 7,14-21,4 г/см3 (цинк, олово, медь, свинец, хром и др.) и легкие цветные
металлы - плотность 0,53-3,5 г/см3 (литий, бериллий и др.).
Согласно одной классификации, к группе тяжелых металлов принадлежит более 40 элементов
с высокой относительной атомной массой и относительной плотностью больше 6. По другой классификации,
в эту группу включают цветные металлы с плотностью большей, чем у железа (свинец, медь,
цинк, никель, кадмий, кобальт, олово, сурьма, висмут, ртуть).
Согласно сведениям, представленным в "Справочнике по элементарной химии" под
ред. А.Т.Пилипенко (1977), к тяжелым металлам отнесены элементы, плотность которых более
5 г/см3. Если исходить их этого показателя, тяжелыми следует считать 43 из 84 металлов Периодической
системы элементов. Среди этих 43 металлов 10 обладают наряду с металлическими свойствами
признаками неметаллов (представители главных подгрупп VI, V, IV, III групп Периодической
системы, являющиеся р-элементами), поэтому более строгим был бы термин "тяжелые элементы",
но в данной публикации мы будем пользоваться общепринятым в литературе термином "тяжелые
металлы".
Таким образом, к тяжелым металлам относят более 40 химических элементов с относительной
плотностью более 6. Число же опасных загрязнителей, если учитывать токсичность, стойкость
и способность накапливаться во внешней среде, а также масштабы распространения указанных
металлов, значительно меньше.
Прежде всего представляют интерес те металлы, которые наиболее широко и в значительных
объемах используются в производственной деятельности и в результате накопления во внешней
среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических
свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово,
сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.
Формы нахождения в окружающей среде. В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют
в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной
элементной форме (ртуть). При этом аэрозоли свинца, кадмия, меди и цинка состоят преимущественно
их субмикронных частиц диаметром 0,5-1 мкм, а аэрозоли никеля и кобальта - из крупнодисперсных
частиц (более 1 мкм), которые образуются в основном при сжигании дизельного топлива.
В водных средах металлы присутствуют в трех формах: взвешенные частицы, коллоидные частицы
и растворенные соединения. Последние представлены свободными ионами и растворимыми комплексными
соединениями с органическими (гуминовые и фульвокислоты) и неорганическими (галогениды,
сульфаты, фосфаты, карбонаты) лигандами. Большое влияние на содержание этих элементов в
воде оказывает гидролиз, во многом определяющий форму нахождения элемента в водных средах.
Значительная часть тяжелых металлов переносится поверхностными водами во взвешенном состоянии.
Сорбция тяжелых металлов донными отложениями зависит от особенностей состава последних
и содержания органических веществ. В конечном итоге тяжелые металлы в водных экосистемах
концентрируются в донных отложениях и биоте.
В почвах тяжелые металлы содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной
формах. Водорастворимые формы, как правило, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами
и органическим комплексными соединениями. Кроме того, ионы тяжелых металлов могут быть связаны
с минералами как часть кристаллической решетки.
Источники. Добыча и переработка не являются самым мощным источником загрязнения среды металлами.
Валовые выбросы от этих предприятий значительно меньше выбросов от предприятий теплоэнергетики.
Не металлургическое производство, а именно процесс сжигания угля является главным источником
поступления в биосферу многих металлов. В угле и нефти присутствуют все металлы. Значительно
больше, чем в почве, токсичных химических элементов, включая тяжелые металлы, в золе электростанций,
промышленных и бытовых топок. Выбросы в атмосферу при сжигании топлива имеют особое значение.
Например, количество ртути, кадмия, кобальта, мышьяка в них в 3-8 раз превышает количество
добываемых металлов. Известны данные о том, что только один котлоагрегат современной ТЭЦ,
работающий на угле, за год выбрасывает в атмосферу в среднем 1-1,5 т паров ртути. Тяжелые
металлы содержатся и в минеральных удобрениях.
Наряду со сжиганием минерального топлива важнейшим путем техногенного рассеяния металлов
является их выброс в атмосферу при высокотемпературных технологических процессах (металлургия,
обжиг цементного сырья и др.), а также транспортировка, обогащение и сортировка руды.
Техногенное поступление тяжелых металлов в окружающую среду происходит в виде газов и аэрозолей
(возгона металлов и пылевидных частиц) и в составе сточных вод.
Металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся: период
полуудаления цинка - до 500 лет, кадмия - до 1100 лет, меди - до 1500 лет, свинца - до нескольких
тысяч лет.
Существенный источник загрязнения почвы металлами - применение удобрений из шламов, полученных
из промышленных и канализационных очистных сооружений.
В выбросах металлургических производств тяжелые металлы находятся, в основном, в нерастворимой
форме. По мере удаления от источника загрязнения наиболее крупные частицы оседают, доля
растворимых соединений металлов увеличивается, и устанавливаются соотношения между растворимой
и нерастворимыми формами. Аэрозольные загрязнения, поступающие в атмосферу, удаляются из
нее путем естественных процессов самоочищения. Важную роль при этом играют атмосферные осадки.
В итоге выбросы промышленных предприятий в атмосферу, сбросы сточных вод создают предпосылки
для поступления тяжелых металлов в почву, подземные воды и открытые водоемы, в растения,
донные отложения и животных.
Дальность распространения и уровни загрязнения атмосферы зависят от мощности источника,
условий выбросов и метеорологической обстановки. Однако в условиях промышленно-городских
агломераций и городской застройки параметры распространения металлов в воздухе еще плохо
прогнозируются. С удалением от источников загрязнения уменьшение концентраций аэрозолей
металлов в атмосферном воздухе чаще происходит по экспоненте, вследствие чего зона их интенсивного
воздействия, в которой имеет место превышение ПДК, сравнительно невелика.
В условиях урбанизированных зон суммарный эффект от регистрируемого загрязнения воздуха
является результирующей сложения множества полей рассеяния и обусловлен удалением от источников
выбросов, градостроительной структурой и наличием необходимых санитарно-защитных зон вокруг
предприятий. Естественное (фоновое) содержание тяжелых металлов в незагрязненной атмосфере
составляет тысячные и десятитысячные доли микрограмма на кубический метр и ниже. Такие уровни
в современных условиях на сколько-нибудь обжитых территориях практически не наблюдается.
Фоновое содержание свинца принято равным 0,006 мкг/м3, ртути - 0,001-0,8 мкг/м3 (в городах
- на несколько порядков выше). К основным отраслям, с которыми связано загрязнение окружающей
среды ртутью, относят горнодобывающую, металлургическую, химическую, приборостроительную,
электровакуумную и фармацевтическую. Наиболее интенсивные источники загрязнения окружающей
среды кадмием - металлургия и гальванопокрытия, а также сжигание твердого и жидкого топлива.
В незагрязненном воздухе над океаном средняя концентрация кадмия составляет 0,005 мкг/м3,
в сельских местностях - до 0,05 мкг/м3, а в районах размещения предприятий, в выбросах которых
он содержится (цветная металлургия, ТЭЦ, работающие на угле и нефти, производство пластмасс
и т.п.), и промышленных городах - до 0,3-0,6 мкг/м3.
Атмосферный путь поступления химических элементов в окружающую среду городов является ведущим.
Однако уже на небольшом удалении, в частности, в зонах пригородного сельского хозяйства,
относительная роль источников загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами может измениться
и наибольшую опасность будут представлять сточные воды и отходы, накапливаемые на свалках
и применяемые в качестве удобрений.
Максимальной способностью концентрировать тяжелые металлы обладают взвешенные вещества
и донные отложения, затем планктон, бентос и рыбы.
Осадки. Зона максимальных концентраций металлов в воздухе распространяется до 2 км от источника.
В ней содержание металлов в приземном слое атмосферы в 100-1000 раз выше местного геохимического
фона, а в снеге - в 500-1000 раз. На удалении 2-4 км располагается вторая зона, где содержание
металлов в воздухе приблизительно в 10 раз ниже, чем в первой. Намечается третья зона протяженностью
4-10 км, где лишь отдельные пробы показывают повышенное содержание металлов. По мере удаления
от источника соотношения разных форм рассеивающихся металлов меняются. В первой зоне водорастворимые
соединения составляют всего 5-10 %, а основную массу выпадений образуют мелкие пылевидные
частицы сульфидов и оксидов. Относительное содержание водорастворимых соединений возрастает
с расстоянием.
|
|