Химия окружающей среды. Учебное пособие

Под ред. Белопухова С.Л.

Возрастное ограничение: 0+ Жанр: Наука Издательство: Проспект Дата размещения: 13.09.2015 ISBN: 9785392194872 Язык: Объем текста: 261 стр. Формат: epub

Оглавление

Глава 1. Введение

Глава 2. История области действия химии окружающей среды

Глава 3. Область действия химии окружающей среды

Глава 4. Природные циклы

Глава 5. Миграция веществ

Глава 6. Загрязнение окружающей среды

Глава 7. Химия атмосферы

Глава 8. Химия гидросферы

Глава 9. Химия литосферы

Глава 10. Экологический мониторинг

Словарь терминов и определений

Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгу

Глава 8. Химия гидросферы

8.1. Составляющие гидросферы

Гидросферой называют прерывистую водную оболочку Земли, расположенную между атмосферой и земной корой. Под понятием гидросферы объединяют все виды природных растворов, всю воду, находящуюся в трех различных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном), и воду, которая входит в состав химических соединений (табл. 22).

Таблица 22

Мировые запасы воды (Крупнова Т. Г., 2005)

8.2. Аномальные свойства воды и состав природных вод

Вода обладает рядом аномальных свойств, определяющих большинство физико-химических и биологических процессов на Земле. Это единственное соединение, которое в природных условиях существует в виде жидкости, твердого вещества (лед, снег) и газа (пары воды). Причиной аномальных свойств, отличающих воду от других жидкостей, является полярность молекул и ассоциативный характер ее строения: характерные для воды водородные связи обусловливают упорядоченное строение ассоциатов воды, как в составе льда, снега, так и в составе жидкости. Во льду каждая молекула воды связана со всеми своими четырьмя соседями, образуя максимально возможное число водородных связей. В жидкой воде имеются ассоциаты, содержащие до девяти молекул (Н2О)9.

Температура кипения и замерзания воды аномальна по сравнению с аналогичными показателями других гидридов элементов VI группы Периодической системы (табл. 23). Благодаря этому вода остается твердой или жидкой при значительно более высоких температурах, не переходя в газообразное состояние и обеспечивая тем самым жизнь на Земле.

Таблица 23

Температура плавления и кипения гидридов элементов VI группыПериодической системы Д. И. Менделеева(Мешалкин А. В., 2007)

Теплоемкость воды. Удельная теплоемкость воды выше, чем у всех твердых и жидких веществ, за исключением жидкого аммиака и водорода и при 0 °C составляет 75,3 Дж/(моль · К), или 4,185 кДж/(кг · К). Благодаря огромной теплоемкости воды океаны сглаживают колебания температуры: перепад температур от экватора до полюса в Мировом океане составляет всего 30 °C. Теплоемкость воды, при которой требуются минимальные энергетические затраты для ее изменения, приходится на температуру 37 °C. Наверное, поэтому температура тела теплокровных существ близка к этому значению. Близость океана обусловливает мягкий морской климат, для которого характерна небольшая разность температурных колебаний. В связи с удаленностью океана континентальный климат характеризуется резкой сменой температур по временам года. Вследствие той же причины — большой теплоемкости воды — разница температур дня и ночи, очень резкая для стран с континентальным климатом, почти незаметна на островах океана.

При замерзании воды происходит резкое увеличение ее объема. Образующийся при этом лед — твердая кристаллическая фаза воды — имеет плотность 0,92 кг/дм 3, то есть он легче воды и поэтому будет плавать на ее поверхности. Лед и покрывающий его снег являются защитой водоема от промерзания, так как обладают малой теплопроводностью.

Аномальный вид температурной зависимости плотности воды. Плавление льда сопровождается не полным, а лишь частичным разрушением его кристаллической структуры; образовавшиеся мономерные молекулы заполняют пустоты в тетраэдрических структурах воды, приводя к увеличению плотности. Максимум плотности воды наблюдается при температуре около 4 °C, при которой килограмм воды занимает минимальный объем (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость плотности воды от температуры

Так, при 0 °C дистиллированная вода имеет плотность 0,999 841 кг/дм 3, при 25 °C — 0,997 7047 кг/дм 3, а при 4 °C плотность воды составляет 0,999 973 кг/дм 3. Благодаря этому с наступлением морозов поверхностный слой воды, охлажденный до 4 °C, как более тяжелый, опускается на дно водоемов, вытесняя более теплые и легкие слои на поверхность. В дальнейшем, когда весь водоем охладится до 4 °C, будет охлаждаться только поверхностный слой, который, как более легкий, будет оставаться на поверхности водоема. Уменьшение плотности воды с ростом температуры обусловлено увеличением расстояния между ее молекулами.

Удельная энтальпия плавления. Значение удельной энтальпии плавления воды (ΔНпл = 6,012 кДж/моль, или 332,4 кДж/кг при 273 К) является наиболее высоким среди твердых тел, за исключением аммиака и водорода. Вода, снег и лед для перехода в другое агрегатное состояние требуют значительного расхода энергии, поэтому эти переходы обычно растягиваются во времени. При замерзании одного кубометра воды выделяется столько же тепла, сколько образуется при сжигании около 10 кг угля. Благодаря высокой теплоте плавления воды на Земле сглаживаются сезонные переходы. Весну и осень в средних и высоких широтах можно рассматривать как сезон фазовых переходов воды.

Удельная энтальпия испарения. Высокое значение удельной энтальпии испарения воды (ΔНкип = 40,683 кДж/моль, или 2256 кДж/кг при 373 К) приводит к тому, что большая часть солнечной энергии, достигающей Земли, расходуется на испарение воды, препятствуя перегреву ее поверхности. Даже в самое жаркое время вода испаряется очень медленно, что способствует ее сохранению и, следовательно, сохранению жизни на Земле. При конденсации паров воды в атмосфере происходит выделение этой энергии, которая может переходить в кинетическую энергию компонентов атмосферы, вызывая ураганные ветры.

Поверхностное натяжение воды является аномально высоким (σ = 71,9 · 10–3 Дж/м 2 при 298 К), поэтому приводит к появлению ряби и волн уже при слабом ветре. В результате этого резко возрастает площадь водной поверхности и интенсифицируются процессы тепло- и газообмена между атмосферой и гидросферой. С высоким поверхностным натяжением связаны и капиллярные силы, благодаря которым вода по капиллярам способна подниматься на высоту до 10–12 м от уровня грунтовых вод. Из всех жидких веществ поверхностное натяжение больше, чем у воды, только у ртути.

Аномально высока скорость распространения звука в воде. Она превышает его скорость распространения в воздухе почти в 6 раз.

Диэлектрическая проницаемость воды имеет также аномально высокое значение (78,3 при 298 К). Это определяет самую большую растворяющую способность воды по отношению к веществам с полярной и ионной структурой. Поэтому в природе нет химически чистой воды, а есть водные растворы. Как уже говорилось выше, каждая полярная молекула воды связана прочной водородной связью с четырьмя другими молекулами и образует ажурную тетраэдрическую структуру. По-видимому, растворенного вещества, имеющие малый размер, размещаются в пустотах такой сетки и слабо влияют на структуру воды (гидрофобное внедрение). Ионы большого размера могут замещать водные молекулы в структурных узлах (гидрофильное внедрение). В результате взаимодействия ионов растворенного вещества с молекулами воды изменяются ее термодинамические свойства, нарушается ее упорядоченная структура в ближайшем окружении (увеличение энтропии) или, наоборот, происходит стабилизация структуры.

Действие ионов зависит не только от размеров, но и от их заряда и строения электронной конфигурации. Сильно гидратированные, особенно многозарядные ионы (РО43–, SO42–, F–, А13+, Мg 2+, Li+) упорядочивают структуру воды и повышают ее вязкость; слабогидратированные, чаще всего однозарядные, ионы (К+, Сs+, I–, Сl–, NO3–, ClO4–) разупорядочивают структуру и понижают вязкость воды. Молекулы неэлектролитов также могут влиять на структуру воды.

Главнейшими природными соединениями, определяющими состав природных вод, являются галит — NаСl, гипс — СаSO4 · 2 Н2O, кальцит — СаСО3 и доломит — СаСО3 · МgСО3. При контакте воды с этими соединениями образуются соответствующие растворы с концентрацией NаСl до 400 г/л, а СаSO4 — до 2–3 г/л.

Среди катионов, присутствующих в воде Мирового океана, преобладающими являются (в порядке убывания концентрации) Nа+ > Mg 2+ > Са 2+ > К+. Среди анионов в воде Мирового океана преобладают Сl– > SO42– > НСО3– > Вr–.

В воде открытого океана, независимо от абсолютной концентрации, количественные соотношения между главными компонентами основного солевого состава всегда постоянны (закон Дитмара). Используя закон Дитмара, можно, определив экспериментально концентрацию одного компонента, рассчитать содержание остальных ионов. Ориентировочная суммарная концентрация солей в морской воде составляет около 35 г/л.

В речной воде среди катионов наиболее распространены Са 2+ > Nа+ > Мg 2+ > К+, а среди анионов — НСО3– > SO42– > Сl–. В отличие от воды Мирового океана в речной воде, в зависимости от территориальных особенностей местности, наблюдаются значительные колебания как по солевому составу, так и по концентрации солей.

Изотопный состав природных вод. Вследствие наличия изотопов водорода 11 Н, 21 Н (D — дейтерий) и 31 Н (Т — тритий) и изотопов кислорода 148 О, 158 О, 168 О, 178 О, 188 О имеется большое количество разновидностей изотопной воды, из которых 9 состоит из стабильных изотопов и содержится в природной воде в следующих концентрациях,% мол.: Н216 О — 99,73; Н217 О — 0,04; Н218 О — 0,2; НD 16O — 0,03; НD 17O — 1,2 · 10–15; НD 18O — 5,7 · 10–5; D216O — 2,3 · 10–6; D217O — 0,9 · 10–9; D218O — 4,4 · 10–9.

В тяжелой воде, содержащей изотоп дейтерий, замедляются некоторые химические реакции и биологические процессы. Она отрицательным образом влияет на организм человека. D2O, имеющая молекулярную массу 20,03, кипит при температуре 101,42 °C, замерзает при температуре 3,81 °C, имеет максимальную плотность при 11,6 °C. В связи с более высокой температурой замерзания тяжелая вода быстрее конденсируется на меньших высотах, а снег, образующийся на относительно больших высотах, содержит меньше тяжелой воды, чем дождевые капли. При электролизе в первую очередь разлагаются молекулы «легкой» воды, а в остатке постепенно накапливается D2O. Тяжелая вода используется как замедлитель нейтронов.

Третий изотоп водорода — тритий, в отличие от изотопов Н и D, радиоактивен и обнаружен в природе лишь в небольших количествах. В пресноводных озерах соотношение Н: Т = 10 18: 1, а в поверхностных водах — 10 19: 1. По физическим свойствам вода, содержащая тритий, еще больше, чем дейтериевая, отличается от обычной воды.

8.3. Водопроводная вода

Россия богата водными ресурсами: в ней сосредоточено более 20% мировых запасов пресных поверхностных и подземных вод. Источниками водоснабжения в большинстве регионов РФ являются поверхностные воды рек и озер, на долю которых приходится 65–68% общего объема водозабора. Подземные воды на территории РФ используются достаточно неравномерно. Вода из артезианских скважин составляет более 70% общего водозабора в Брянской, Владимирской, Смоленской, Тульской, Орловской и некоторых других областях. Менее 20% составляет водозабор подземных вод в Новгородской, Архангельской, Мурманской, Костромской, Ярославской и некоторых других областях с неблагоприятными для этого гидрогеологическими условиями.

Несмотря на богатые водные ресурсы, более половины населения страны пользуется недоброкачественной питьевой водой, содержащей значительные количества 3 В. Особенно тяжелое положение с загрязнением поверхностных источников сложилось в Астраханской, Кемеровской, Калининградской, Томской, Тюменской, Ярославской, Курганской областях и Приморском крае.

Получение питьевой воды. Технология очистки воды с забором из поверхностных источников чаще всего включает последовательное проведение следующих стадий:

а) предварительное хлорирование;

б) реагентная обработка солевым коагулянтом и отстаивание;

в) осветление (фильтрование) на песчаных фильтрах;

г) хлорирование.

С середины 1980-х гг. на некоторых зарубежных водопроводных станциях Англии, Австралии и других стран стали включать обязательное фильтрование воды через загрузку с активированным углем, обеспечивающим удаление из воды органических примесей.

При заборе воды из подземных источников, имеющей, как правило, незначительную мутность и повышенное солесодержание, не используют солевые коагулянты, а применяют специальные технологические приемы (обезжелезивание, удаление сероводорода, деманганация и др.). Иногда подземные воды соответствуют нормативным требованиям, тогда процесс водоподготовки значительно упрощается.

Природные воды — сложные многокомпонентные системы, содержащие частицы различной дисперсности (взвесь, коллоиды, молекулы, ионы). В зависимости от природы содержащихся в воде примесей различают мутные и цветные воды. В мутных водах преобладают неорганические примеси (кремниевая кислота, алюмосиликаты), находящиеся во взвешенном (дисперсном) состоянии. Цветность природных вод обусловлена присутствием солей железа гуминовых и фульвокислот, находящихся в коллоидном или истинно растворенном состоянии.

Осветление воды производится с использованием коагулянтов.

Обработкой воды коагулянтами можно также устранить до 80–90% веществ, обусловливающих цветность воды, видимо, за счет их сорбции на поверхности продуктов гидролиза коагулянтов.

В качестве коагулянтов в водоподготовке применяют соли поливалентных металлов — сернокислый алюминий А12(SO4)3 · 18Н2O, сульфат закисного железа FеSO4 · 7Н2O, хлорное железо FеСl3 · 7 Н2О и некоторые другие. Попадая в воду, солевые коагулянты гидролизуются с образованием труднорастворимых оснований или основных солей, например:

FеСl3 + 3Н2О ↔ Fе(ОН)3 + 3НСl

Fе 3+ + 3Н2О ↔ Fе(ОН)3 + 3Н+

Процесс гидролиза солевого коагулянта сопровождается выделением кислоты, которая для смещения равновесия должна быть связана. В природной воде связывание ионов водорода происходит согласно реакции:

Н+ + НСО 3– ↔ CO2 + Н2О

Наличие бикарбонат-ионов в воде является необходимым условием для обеспечения глубокого протекания процесса гидролиза. При малой щелочности исходную воду подщелачивают известью, едким натром или содой.

Агрегативная устойчивость коллоидных систем объясняется существованием двойного электрического слоя ионов и скачка потенциала на границе раздела фаз. Возникновение заряда у коллоидных частиц обусловливается избирательной адсорбцией ионов определенного знака из дисперсионной среды или же диссоциацией поверхностных молекул, образующих частицу. Обычно ядро коллоидной частицы адсорбирует ионы, в составе которых находятся элементы или атомные группировки, имеющиеся в веществе ядра частицы (правило Пескова — Фаянса).

Коллоидная частица (мицелла) в целом электронейтральна, так как к ней притягиваются ионы противоположного знака. Таким образом, вокруг частицы возникает двойной электрический слой, внутренняя обкладка которого расположена на поверхности частицы, а внешняя граничит с жидкостью, окружающей частицу. Этот внешний слой называется диффузным, причем его заряд будет равен и противоположен по знаку заряду частицы. Концентрация противоионов максимальна у поверхности (плотный ионный слой) и убывает с увеличением расстояния от поверхности частицы. Структуру мицеллы Fе(ОН)3, образовавшуюся при гидролизе FеСl3 (слабокислая или нейтральная среда), можно представить формулой:

Гидроксиды железа или алюминия, образовавшиеся в результате протекания гидролиза и находящиеся вначале в коллоидном состоянии, имеют положительно заряженные частицы (гранулы). Основная масса коллоидных частиц природной воды имеет отрицательный заряд. За счет взаимной нейтрализации частиц нарушается их агрегативная и кинетическая устойчивость, происходит слипание и седиментация (взаимная коагуляция коллоидов).

Процесс коагуляции имеет две стадии — скрытую и явную. На скрытой стадии происходит формирование коллоидного раствора Fе (ОН)3 и образование микрохлопьев. Именно на этой стадии коагуляции вода в основном и очищается от первичных коллоидных примесей; на следующей, второй, стадии процесса образуются крупные хлопья (флокулы) размером 1–3 мм, которые, обладая высокой сорбционной способностью, дополнительно извлекают примеси из воды.

Большое влияние на процесс коагуляции оказывает температура и режим перемешивания. При повышении температуры увеличиваются скорость и глубина гидролиза, скорость формирования и отделения твердой фазы, что в конечном результате ускоряет и углубляет коагуляцию примесей. Для интенсификации процесса коагуляции в обрабатываемую воду вводят специальные вещества — флокулянты. Сущность процесса флокуляции состоит в том, что агрегация коллоидных частиц в этом случае происходит не только непосредственно, но и через молекулы флокулянта. В качестве флокулянтов используют неорганические (активная кремнекислота) или органические высокомолекулярные соединения, среди которых наиболее широкое применение получил полиакриламид.

За счет отстаивания (седиментации) не удается получить воду с концентрацией твердой фазы менее 10 мг/л, поэтому воду дополнительно подвергают фильтрованию через насыпные фильтры. В качестве фильтрующих материалов чаще всего используют кварцевый песок. После насыщения фильтра взвесью его регенерируют (промывают) обратным током воды.

Обеззараживание воды. Опасность заболеваний человека от микробиологического загрязнения воды многократно выше, чем при ее загрязнении химическими веществами различной природы. Большинство микроорганизмов безвредно для человека, а некоторые из них даже полезны. Однако в воде существуют микробы и вирусы, являющиеся причиной тяжелых инфекционных заболеваний (брюшной тиф, дизентерия, холера, вирусный гепатит, полиомиелит, менингит, сибирская язва и др.), а также яйца гельминтов. Чаще всего ими бывают богаты канализационные сточные воды, а кишечная палочка, живущая в кишечнике человека, является индикатором загрязнения воды канализационными стоками, так как она наименее чувствительна к обеззараживающим агентам по сравнению с возбудителями инфекционных заболеваний.

На завершающем этапе очистки питьевой воды, в целях обеспечения эпидемической безопасности, ее подвергают обеззараживанию. Наиболее стойкими к обеззараживающим факторам, по сравнению с бактериями и вирусами, являются не так давно открытые гигиенистами простейшие Гьярдия и Криптоспоридия, а также инфицирующие цисты. Следует отметить малую эффективность применяемых методов обеззараживания против энтеровирусов.

Обеззараживание воды осуществляют с помощью химических реагентов, чаще всего окислителей (галогены и их соединения, озон, пероксид водорода, перманганат калия, ионы серебра, меди и др.), с помощью физических факторов, а также с помощью получивших широкое развитие в последнее время мембранных методов очистки воды.

Несмотря на разнообразие обеззараживающих средств, во всем мире в 99 случаях из 100 для дезинфекции воды используют хлор или хлорсодержащие продукты. Никакой другой метод не оказывает такого длительного бактерицидного действия.

Классическое хлорирование является самым надежным способом обеззараживания, когда микробиологическое загрязнение воды наиболее сильно. Внедрение хлорирования считается самым крупным событием в медицине XX века, остановившим распространение кишечных инфекций в городах. Хлорирование является обязательным при подаче воды в разводящую сеть.

При введении хлора в воду образуются хлорноватистая и соляная кислоты:

Сl2 + Н2О ↔ НСlО + НСl

В сильнокислой среде равновесие этой реакции сдвинуто влево и в воде присутствует молекулярный хлор; при значении рН более 4 последний практически отсутствует. Наиболее сильными бактерицидными свойствами обладают молекулярный хлор и хлорноватистая кислота.

Основными обеззараживающими веществами при хлорировании являются Cl2, HClO, ClO– («свободный активный хлор») и NH2Cl, NHCl2 («связанный активный хлор»).

Моно- и дихлорамины образуются при наличии в воде аммонийных солей или аммиака:

HClO + NH3 = NH2Cl + H2O

HClO + NH2Cl = NHCl2 + H2O

Бактерицидные свойства хлораминов значительно ниже, чем у хлора, но их действие более продолжительно.

Избыток активного хлора, который остался в воде после его взаимодействия с органическими и неорганическими веществами, называют остаточным активным хлором.

Концентрация остаточного свободного хлора в воде должна быть не менее 0,3 и не более 0,5 мг/л.

Избыточный активный хлор может быть удален путем дехлорирования за счет обработки воды восстановителями (сульфит или тиосульфат натрия, сернистый газ, активированный уголь).

Взаимодействие хлора с гумусовыми и другими органическими веществами приводит к образованию широкой гаммы хлорорганических продуктов — тригалометанов, хлоралканов, хлорированных кислот и фенолов. Находящийся в воде фенол (ПДК = 0,001 мг/л) при хлорировании превращается в более токсичный 2,4,6-трихлорфенол (ПДК = 0,0004 мг/л), обладающий специфическим запахом.

Основное возражение против хлорирования связывают с возможностью образования вредных соединений. Самое простое техническое решение, приводящее к уменьшению содержания тригалометанов в питьевой воде, состоит в хлорировании воды только после ее осветления и фильтрования. Снижение содержания органических веществ в воде на стадии предварительной очистки до операции хлорирования — наиболее рациональный путь улучшения качества воды при ее обеззараживании.

Существенно уменьшить концентрацию тригалометанов, а также других вредных хлорорганических соединений в питьевой воде можно за счет использования вместо хлора хлораминов, образующихся при обработке гипохлоритом натрия воды, содержащей ионы аммония.

При взаимодействии хлораминов с органикой не происходит образования канцерогенных веществ. Хлорамины по сравнению с молекулярным хлором органолептически менее ощутимы, а при наличии в воде фенолов они не образуют хлорфенольных запахов. Аммонизация осуществляется технически просто, а использование гипохлорита натрия также снимает все опасные и вредные производственные факторы, присущие самому хлору.

Хлорирование воды, содержащей органические вещества, в структурах которых имеются бензольные кольца (лигнин, гуминовые и фульвокислоты, фенолы и др.), может также приводить к образованию высокотоксичных диоксинов и родственных им хлорорганических соединений. Комплексный характер действия этой группы соединений приводит к генетическим изменениям, подавлению иммунитета, канцерогенезу, поражению внутренних органов и истощению человека. Максимальной токсичностью обладает 2,3,7,8-тетрахлордибензодиоксин, а также 2,3,7,8-тетрахлордибензофуран. Эти соединения имеют токсичность на много порядков выше, чем, например, широко известный препарат ДДТ (дуст).

Коварство токсического действия диоксинов заключается в том, что они незаметно накапливаются в организме, совершенно не проявляя себя, а затем наносят удар по иммунной системе. Их воздействие на организм сводится к тому, что молекула диоксина входит в рецептор и вписывается в структуру ДНК в строго определенных местах. Структура ДНК при этом не повреждается, но искривляется и становится более податливой воздействиям химических веществ. Сам диоксин не вызывает болезни, а лишь способствует развитию некоторых из них, например рака, при наличии канцерогенных веществ. Все обычно начинается с раздражения кожи, за которым появляются фурункулез, злокачественные опухоли, психические расстройства, рождение детей-уродов и т. п. (Мешалкин А. В., 2007).

Кроме хлора и его соединений для обеззараживания могут быть использованы другие галогены — бром, йод и их соединения.

Бром обеспечивает высокую степень дезинфекции, не дает неприятных запахов, эффективен против водорослей, не раздражает глаза, не образует тригалометанов, удачно подходит для обеззараживания воды бассейнов. ПДК для образующегося в процессе дезинфекции бромид-иона 0,2 мг/л, его токсическая доза для человека — около 3 г, летальная — более 35 г. В относительно высоких концентрациях бромид-ионы угнетают деятельность щитовидной железы.

Йод аналогичен по дезинфицирующему действию брому. В воде он гидролизуется гораздо меньше, чем хлор: I2 + Н2О = HIО + HI. Необходимая для обеззараживания доза йода при рН < 7 составляет 0,3–1 мг/л, а неприятный запах йода в воде обнаруживается при его концентрации лишь более 1,5 мг/л. Наличие в воде органических веществ, аммиака или аммонийных солей мало снижает бактерицидные свойства йода, так как последний не образует йодаминов и очень медленно реагирует с органическими веществами природных вод. Йод является жизненно важным элементом и обладает высокой биологической активностью. ПДКрх для йодид-иона составляет 0,4 мг/л; порог токсичности йода равен 5 мг/сут. Дезинфекция йодом, однако, обходится в 15–20 раз дороже, чем дезинфекция хлором.

Мнение об озонировании как о более безвредном способе обеззараживания воды, которым механически можно заменить хлорирование, поверхностно и ошибочно. Продукты реакций озона с органическими веществами представляют собой альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и другие небезобидные соединения, обусловливающие вторичное загрязнение воды. Фенолы под действием озона расщепляются с образованием альдегидов, глиоксаля, щавелевой и дикарбоновых кислот. Выделяющиеся при озонировании органические соединения являются питательной средой для микроорганизмов, которые, попадая в системы распределения воды, при этом бурно размножаются. Озонирование также требует дополнительной очистки от образующихся побочных продуктов и не обеспечивает защиту от повторного загрязнения.

Из препаратов индивидуального обеззараживания воды наиболее распространены органические хлорамины и йодорганические соединения. К хлораминам относится пантоцид, одна таблетка которого содержит 3 мг активного хлора и при растворении обеззараживает около 750 мл прозрачной воды в течение 30 минут. Значительно эффективнее пантоцида йодорганические соединения в смеси с виннокаменной кислотой. Для обеззараживания небольших количеств воды могут быть использованы также пероксид водорода Н2О2 или перманганат калия КМnO4. Дезинфицирующее действие перманганата калия значительно слабее, чем хлора, из-за его активного взаимодействия с органическими и неорганическими веществами.

Обеззараживание под действием физических факторов (кипячение, облучение ультрафиолетом, обработка ультразвуком) исключает введение химических веществ в очищаемую воду и характеризуется во всех случаях отсутствием пролонгированного обеззараживающего эффекта. Достаточно широко используемое УФ-облучение эффективно только при обеззараживании прозрачной воды, не содержащей взвесей.

Кипячение воды связано с большими энергозатратами, обусловленными фазовым переходом жидкость–пар. Кипячение жесткой воды с последующим ее охлаждением и отстаиванием, помимо обеззараживающего эффекта, приводит к образованию осадка карбонатов кальция и магния в соответствии с уравнениями реакций:

Са(НСО3)2 = СаСО3↓ + СО2↑ + Н2О

Mg(НСО3)2 = MgСО3↓ + СО2↑ + Н2О

Образующиеся осадки имеют высокоразвитую поверхность; они адсорбируют и увлекают с собой ионы тяжелых металлов (Fе, Ni, Рb и др.) и многие другие микропримеси, обеспечивая эффективную очистку воды и ее умягчение (на 25–35% и более) без применения каких-либо дорогостоящих материалов и приспособлений. Явным показателем очистки воды от ионов железа является рыжеватый цвет отстоявшегося осадка или отложившейся накипи.

При относительно небольших расходах воды в последнее время для ее очистки широко используют фильтрование через мембраны с различными размерами пор.

Микрофильтрация обеспечивает удаление из воды только взвешенных веществ, ультрафильтрация — коллоидных частиц и макромолекул (белки, полисахариды и др.), обратный осмос — удаление до 99% солей и молекул органических веществ. Учитывая относительно большие размеры бактерий (300–10 000 нм), а также то, что вирусы (30–300 нм) чаще всего находятся в адсорбированном состоянии на поверхности бактерий или взвешенных частиц, мембранные технологии обеспечивают стерилизацию воды одновременно с ее очисткой. Обеззараживающий эффект возрастает с уменьшением пор в используемых мембранах в ряду микро-, ультра- и гиперфильтрации.

Для осуществления фильтрационных процессов широко используются полимерные, а также более долговечные керамические мембраны. Необходимое для фильтрования давление колеблется в пределах от 10–60 (обратный осмос) до 2 атмосфер и менее (микрофильтрация). При использовании мембранных технологий исключаются многие технологические недостатки, как хлорирования, так и других методов обеззараживания.

Обезжелезивание воды. Подземные воды часто содержат повышенные концентрации железа, которое придает ей неприятный металлический привкус. Чаще всего железо в подземных водах содержится в истинно растворенном состоянии в виде бикарбоната железа Fе(НСО3)2. Такая вода после излива из скважины в первое время остается бесцветной и прозрачной, но при стоянии в открытом сосуде постепенно мутнеет за счет выделения осадка Fе(ОН)3, образующегося в результате гидролиза соли и одновременного окисления Fе 2+ кислородом воздуха:

4Fе (НСО3)2 + O2 + H2O → 4Fе (ОН)3↓ + 8CO2

В поверхностных водах железо может находиться в виде тонкодисперсной взвеси Fе (ОН)3 или в виде комплексных органических соединений. В первом случае оно хорошо удаляется при осветлении воды коагуляцией, во втором случае для разрушения органических комплексов требуются окислители более сильные, чем кислород. При подпитке водоносного горизонта водами болот или рек железо в подземных водах может также находиться в виде комплексных органических соединений. Во всех случаях повышение рН способствует более глубокому удалению железа, и в большинстве случаев оно может быть удалено известкованием.

Железо относится к жизненно необходимым элементам. Основные его функции в организме человека связаны с переносом кислорода и с участием десятков железосодержащих ферментов в окислительных процессах

При продолжительном поступлении в организм человека относительно высоких концентраций железа (ПДКхп = 0,3 мг/л) его избыток накапливается в печени в коллоидной форме оксида железа (гемосидерин), разрушающе действующего на ее клетки. Период полувыведения железа из организма человека достаточно длителен и составляет около 5,5 лет.

Вода с повышенным содержанием железа непригодна для ряда производств, так как ухудшает качество выпускаемой продукции (производство шелковых или хлопчатобумажных тканей, искусственных волокон, оргстекла и др.). В системах оборотного водоснабжения при подпитке свежей железосодержащей водой происходит окисление железа на градирнях или в брызгательных бассейнах с последующим его отложением на стенках труб и сооружений, что нарушает их нормальную работу и выводит из строя. В паровых котлах при их питании железосодержащей водой наблюдается быстрое образование железоокисных накипей. Отложение гидроксида железа (III) в катионообменных фильтрах вызывает значительное снижение их ионообменной емкости, а для успешной эксплуатации электродиализных установок требуется, чтобы содержание железа в воде не превышало сотых долей миллиграмма на литр.

Наука Под ред. Белопухова С.Л. Химия окружающей среды. Учебное пособие

Наука Под ред. Белопухова С.Л. Химия окружающей среды. Учебное пособие

В издании рассмотрены проблемы химии агросферы на фоне описания природных геохимических и биогеохимических процессов. Приводятся современные взгляды на происхождение химических элементов, возникновение Земли и ее биосферы, элементный состав атмосферы, гидросферы, литосферы. Охарактеризованы главные загрязняющие вещества (углеводороды, тяжелые металлы, пестициды, детергенты), пути их поступления в окружающую среду и поведение в ней. Кроме токсического загрязнения, рассматриваются радиационное загрязнение и последствия загрязнения атмосферы: кислотные дожди, разрушение озонового слоя и парниковый эффект.<br /> В конце каждой главы приведены контрольные вопросы и задачи по химии агросферы, что способствует более глубокому пониманию и эффективному усвоению материала.<br /> Учебное пособие предназначено для бакалавров высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Агрохимия и агропочвоведение», «Агрономия», «Садоводство», а также для аспирантов и специалистов, изучающих вопросы природопользования и охраны окружающей среды; будет полезно преподавателям и учащимся средних учебных заведений, интересующихся химией агросферы и проблемами химико-экологического образования.

Внимание! Авторские права на книгу "Химия окружающей среды. Учебное пособие" (Под ред. Белопухова С.Л.) охраняются законодательством!