Введение
Среди загрязнителей биосферы представляющих наибольший интерес для различных служб контроля ее качества, металлы (в первую очередь тяжелые, то есть имеющие атомный вес больше 40)относятся к числу важнейших. В значительной мере это связано с биологической активностью многих из них. На организм человека и животных физиологическое действие металлов различно и зависит от природы металла , типа соединения, в котором он существует в природной среде, а также его концентрации. Многие тяжелые металлы проявляют выраженные комплексообразующие свойства. Так, в водных средах ионы этих металлов гидратированы и способны образовывать различные гидроксокомплексы, состав которых зависит от кислотности раствора. Если в растворе присутствуют какие-либо анионы или молекулы органических соединений, то ионы этих металлов образуют разнообразные комплексы различного строения и устойчивости. В ряду тяжелых металлов один крайне необходимы для жизнеобеспечения человека и других живых организмов и относятся к так называемым биогенным элементам. Другие вызывают противоположный эффект и попадая в живой организм, приводят к его отравлению или гибели. Эти металлы относят к классу ксенобиотикою, то есть чуждых живому. Специалистам по охране окружающей среды среди металлов-токсикантов выделена приоритетная группа. В нее входят кадмий , медь, мышьяк, никель ртуть, синец, цинк и хром как наиболее опасные для здоровья человека и животных. Из них ртуть, свинец, ртуть, свинец и кадмий наиболее токсичны. К возможным источникам загрязнения биосферы тяжелыми металлами относят предприятия черной и цветной металлургии(аэрозольные выбросы, загрязняющие атмосферу, промышленные стоки, загрязняющие атмосферу, промышленные стоки, загрязняющие поверхностные воды), машиностроения(гальванические ванны омеднения, никелирования, хромирования, кадрирования), заводы по переработке аккумуляторных батарей, автомобильных транспорт. Кроме антропогенных источников загрязнения среды обитания тяжелыми металлами существует и другие, естественные, например, в продуктах извевержения вулкана Этна на острове Сицилия в Средиземном море. Увеличение концентрации металлов-токсикантов в поверхностных водах некоторых озер может происходить в результате кислотных дождей, приводящих к растворению минералов и пород, омываемых этими озерами. Все эти источники загрязнения вызывают в биосфере или ее составляющих (воздухе, воде, почвах, живых организмах) увеличение содержания металлов-загрязнителей по сравнению с естественным, так называемым фоновым уровнем. Хотя, как было упомянуто выше, попадание металла-токсиканта может происходить и путем аэрозольного переноса, в основном они проникают в живой организм через воду. Попав в организм, металлы-токсиканты чаще всего не подвергаются каким-либо существенным превращениям, как это происходит с органическими токсикантами, и, включившись в биохимический цикл, они крайне медленно покидают его. Для контроля качества поверхностных вод созданы различные гидробиологические службы наблюдений. Они следят за состоянием загрязнения водных экосистем под влиянием антропогенного воздействия. Поскольку такая экосистема включает в себя как саму среду (воду), так и другие компоненты (донные отложения и живые организмы-гидробионты), сведения о распределении тяжелых металлов между отдельными компонентами экосистемы имеют весьма важное значение. Надежные данные в этом случае могут быть получены при использовании современных методов аналитической химии, позволяющих определить содержание тяжелых металлов на уровне фоновых концентраций. Нужно отметить, что успехи в развитии методов анализа позволили решить такие глобальные проблемы, как обнаружение основных источников загрязнения биосферы, установление динамики загрязнения и трансформации загрязнителей, их перенос и миграцию. При этом тяжелые металлы были классифицированы как одни из важнейших объектов анализа. Поскольку их содержание в природных материалах может колебаться в широких пределах, то и методы их определения должны обеспечивать решение поставленной задачи. В результате усилий ученых-аналитиков многих стран были разработаны методы, позволяющие определять тяжелые металлы на уровне фемтограммов(10-15г) или в присутствии в анализируемом объеме пробы одного атома, например никеля в живой клетке. К сложной и многогранной проблеме, которую представляют, собой химические загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и которая охватывает, различные дисциплины и уже превратилась в самостоятельную междисциплинарную область знаний, профессиональный интерес проявляют не только химики-аналитики, биологи и экологи (их деятельность традиционно связана с этой проблемой), но и медики. В потоке научной и научно-популярной информации, а также в средствах массовой информации все чаще появляются материалы о влиянии тяжелых металлов на состояние здоровья человека. Так, в СЩА обратили внимание на проявление агрессивности у детей в связи с повышением содержанием в их организме свинца. В других регионах планеты рост числа правонарушений и самоубийств также связывают с повышением содержания этих токсикантов в окружающей среде. Представляет интерес обсуждение некоторых химических и эколого-химических аспектов проблемы распространения тяжелых металлов в окружающей среде, в частности в поверхностных водах.
Исследовательская часть
Тяжелые металлы
Тяжелые металлы - это элементы периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева, с относительной молекулярной массой больше 40. К тяжелым металлам относятся более 40 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева, масса атомов которых свыше 50 атомных единиц. Эта группа элементов участвует в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Группа «тяжелых металлов» во многом совпадает с понятием «микроэлементы». Отсюда такие вещества как: свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, хром, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий являются тяжелыми металлами. Тяжелые металлы, попадая в наш организм, остаются там навсегда, вывести их можно только с помощью белков молока и белых грибов. Достигая определенной концентрации в организме, они начинают свое губительное воздействие - вызывают отравления, мутации. Кроме того, что сами они отравляют организм человека, они еще и чисто механически засоряют его – ионы тяжелых металлов оседают на стенках тончайших систем организма и засоряют почечные каналы, каналы печени, таким образом, снижая фильтрационную способность этих органов. Соответственно, это приводит к накоплению токсинов и продуктов жизнедеятельности клеток нашего организма, т.е. самоотравление организма, т.к. именно печень отвечает за переработку ядовитых веществ, попадающих в наш организм, и продуктов жизнедеятельности организма, а почки – за выведение наружу. Источники поступления тяжелых металлов делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозийные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, движение транспорта, деятельность для сельского хозяйства).Часть техногенных выбросов, поступающих в природную среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значительные расстояния и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть поступает в бессточные водоемы, где тяжелые металлы накапливаются и становятся источником вторичного загрязнения, т.е образования опасных загрязнений в ходе физика – химических процессов, идущих непосредственно в среде(например, образование из нетоксичных веществ ядовитого газа фосгена). Тяжелые металлы накапливаются в почве, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции – выдувании почв. Период полу удаления или удаления половины от начальной концентрации составляет продолжительное время: для цинка – от 70 до 510 лет, для кадмия - от 13 до 110 лет, для меди – от 310 до 1500 лет и для свинца – от 740 до 5900 лет. В гумусовой части почвы происходит первичная трансформация попавших в нее соединений. Тяжелые металлы обладают высокой способностью к многообразным химическим, физика – химическим и биологическим реакциям. Тяжелые металлы и их соединения, как и другие химические соединения, способны перемещаться и перераспределяться в средах жизни, т.е мигрировать. Миграция соединений тяжелых металлов происходит в значительной степени в виде органа – минеральной составляющей. Часть органических соединений, с которым связываются металлы, представлена продуктами микробиологической деятельности. Ртуть характеризуется способностью аккумулироваться в звеньях «пищевой цепи». Микроорганизмы почвы могут давать устойчивые к ртути популяции, которые превращают металлическую ртуть в токсические для высших организмов вещества. Некоторые водоросли, грибы и бактерии способны аккумулировать ртуть в клетках. Ртуть, свинец, кадмий в общий перечень наиболее важных загрязняющих веществ окружающей среды, согласованный странами, входящие в ООН. Под загрязнением окружающей среды понимают нежелательные изменения физическим, Физика – химических и биологических характеристик воздуха, почв, вод, которые могут неблагоприятно влиять на жизнь человека, необходимые ему растений, животных и культурное достояние, истощать или портить его сырьевые ресурсы. Эти негативные изменения являются результатом деятельности человека. Они прерывают или нарушают процессы обмена и круговорота веществ, их ассимиляцию, распределение энергии, в результате меняются свойства окружающей среды, условия существования организмов, снижается продуктивность или же разрушаются экосистемы. Прямо или косвенно такие преобразования влияют на человека через биологические ресурсы, воды и продукты. Основные источники загрязнений антропогенного происхождения:
.
Тепловые электростанции(27%);
.
Предприятия черной(24%) и цветной (10,5%) металлургии;
.
Нефтехимическое;
.
Строительных материалов(8,1%), химической промышленности(1,3%);
.
Автотранспорта (13,3%).
Типы загрязнений и вредных воздействий: физические загрязнения - радиоактивные элементы (излучение), нагрев или тепловое загрязнение, шумы; биологические загрязнения - микробиологическое отравление дыхательных и пищевых путей (бактерии, вирусы), изменение биоценозов вследствие внедрения чужеродных растений или животных; химические загрязнения -- газообразные производные углерода и жидкие углеводороды, моющие средства, пластмассы, пестициды, производные серы, тяжелые металлы, фтористые соединения, аэрозоли и др.; эстетический вред - нарушение ландшафтов, примечательных мест малопривлекательными постройками и др.
Влияние на организм тяжелых металлов
В последнее время все острее стоит проблема загрязнения окружающей среды вредными компонентами. К числу этих загрязнителей, прежде всего, относятся некоторые тяжелые металлы. Было установлено, что основным путем (до 70%) поступления их в организм человека являются пищевые продукты. Эти исследования убедительно доказали, что неконтролируемое загрязнение пищевых продуктов токсичными металлами может вызвать серьезные последствия в организме. Для предотвращения и ослабления этих последствий появились законодательства, регулирующие предельное содержание токсичных элементов в продуктах питания. Объединение комиссия ФАО и ВОЗ по пищевому кодексу включила в число обязательных компонентов пищевых продуктов , подвергаемых контролю, 8 наиболее опасных токсичных элементов: ртуть, кадмий ,свинец, мышьяк, медь, олово, цинк и железо. Одним из самых распространенных и опасных токсикантов является свинец. В земной коре он содержится в незначительных количествах. Вместе с тем мировое производство свинца составляет более 3,5 тонн в год, и только в атмосферу поступает в переработанном и мелкодисперсном состоянии 4,5 тонн в год. Среднее содержание свинца в продуктах питания 0,2 мг/кг. Отмечено активное накопление свинца в растениях и мясе сельскохозяйственных животных вблизи промышленных центров, крупных автомагистралей. По данным К.Рейли взрослый человек получает ежедневно с пищей 0,1- 0,5 мг свинца. Общее его содержание в организме составляет 120 мг. В организме взрослого человека усваивается в среднем 10% поступившего свинца, у детей – 30 – 40%. Из крови свинец поступает в мягкие ткани и кости, где депонируется в виде трифосфата. 90% поступившего свинца выводиться из организма с фекалиями, остальные – с мочой и другим биологическими жидкостями. Механизм токсичного действия свинца определяется по следующей схеме: проникновение свинца в нервные и мышечные клетки, образование лактама свинца путем взаимодействия с молочной кислотной, затем фосфатов свинца, которые создают клеточный барьер для проникновения в нервные и мышечные клетки ионов кальция. Основными мишенями при воздействии свинца являются кроветворная, нервная, пищеварительная системы и почки. Отмечено его отрицательное влияние на половую функцию организма.
Кадмий в природе в чистом виде не встречается, это сопутствующий продукт при рафинировании цинка и меди. С рационом взрослый человек поучает Сdдо 150 мг/кг и выше в сутки(92 – 94%)
Медь принимает активное участие в процессах жизнедеятельности, входя в состав ряда ферментных систем. Суточная потребность -4–5 мг. Дефицит меди приводит к анемии, недостаточности роста, ряду других заболеваний, в отдельных случаях – к смертельному исходу.
Цинк входит в состав около 80 ферментов, участвуя в многочисленных реакциях обмена веществ. Типичными симптомами недостаточности цинка является замедление роста у детей, половой инфантилизм у подростков, нарушение вкуса и обоняния и др. Основным источником поступления металлов в растения является почва. Плодородная почва должна обеспечиваться микро и макропитательными веществами, необходимыми для роста растений. Все почвы, содержав незначительном количестве многие элементы органической и в неорганической форме. Содержание микроэлементов в разных почвах колеблется в широком интервале. Более высокий уровень загрязнения тяжелыми металлами отмечается в верхнем
(0-10см), наиболее гумусированном слое почвы, что является одной из причин повышенного содержания тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции. Опасность состоит в том, что химическое загрязнение длительное время может не проявляться и выращенная на такой почве, с виду нормальная сельскохозяйственная продукция, может оказать токсическое воздействие на здоровье человека. Северо-Осетинская станция агрохимической службы проводит агроэкологический мониторинг почв сельскохозяйственное назначения, в том числе ведет наблюдение за содержанием тяжелых металлов. Анализ почвенных проб, взятых в районах нашей республики на содержание тяжелых металлов, выполнялся нами атомной – адсорбционным методом. В результате исследований было выявлено, что основными загрязнителями почв в РСО-Алания являются: свинец, цинк, кадмий и медь. В связи с этим следует принимать меры не только по снижению содержания тяжелых металлов в почве, но и разрабатывать мероприятия по снижению их содержания в сельскохозяйственной продукции и пищевых продуктах, получаемые из этой продукции.
Медь
Медь относится к числу металлов, известных с глубокой древности. Раннему знакомству человека с медью способствовало то, что она встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков, которые иногда достигают значительных размеров. Медь и ее сплавы сыграли большую роль в развитии материальной культуры.
Благодаря восстановимости оксидов и карбонатов медь была, по-видимому, первым металлом, который человек научился восстановлять из кислородных соединений, содержащихся в рудах. Латинское название меди происходит от названия острова Кипр (лат. Cuprum), где древние греки добывали медную руду. В древности для обработки скальной породы ее нагревали на костре и быстро охлаждали, причем порода растрескивалась. Уже в этих условиях были возможны процессы восстановления. В дальнейшем восстановление вели в кострах с большим количеством угля и с вдуванием воздуха посредством труб и мехов. Костры окружали стенками, которые постепенно повышались, что привело к созданию шахтной печи. Позднее методы восстановления уступили место окислительной плавке сульфидных медных руд с получением промежуточных продуктов – штейна (сплава сульфидов), в котором концентрируется медь, и шлака (сплава окислов).Сейчас существуют методы, позволяющие получать наночастицы меди, упорядоченные в виде цепей, колец или трехмерных сверхрешеток, которые обладают уникальными физическими свойствами и считаются перспективными материалами для создания плазменных волноводов для фотонных устройств, химических и биологических сенсоров. Существует целый ряд методов, позволяющих варьировать морфологию наночастиц металлов и, поэтому, изменять физические свойства материалов на их основе.Среднее содержание меди в земной коре 4,7•10–3 % (по массе), в нижней части земной коры, сложенной основными породами, ее больше (1•10–2%), чем в верхней (2•10–3%), где преобладают граниты и другие кислые изверженные породы. Медь энергично мигрирует как в горячих водах глубин, так и в холодных растворах биосферы; сероводород осаждает из природных вод различные сульфиды Меди, имеющие большое промышленное значение. Среди многочисленных минералов Меди преобладают сульфиды, фосфаты, сульфаты, хлориды, известны также самородная медь, карбонаты и оксиды.
Медь – важный элемент жизни, она участвует во многих физиологических процессах. Среднее содержание меди в живом веществе 2•10–4%, известны организмы – концентраторы меди. В таежных и других ландшафтах влажного климата медь сравнительно легко выщелачивается из кислых почв, здесь местами наблюдается дефицит меди и связанные с ним болезни растений и животных (особенно на песках и торфяниках). В степях и пустынях (с характерными для них слабощелочными растворами) медь малоподвижна; на участках месторождений меди наблюдается ее избыток в почвах и растениях, отчего болеют домашние животные.
Метилртуть
Ртуть в составе выбросов из антропогенных и природных источников поступает в атмосферу в неорганической форме и затем в результате протекания биологических процессов может преобразовываться в метилртуть в почве и водной среде.
В окружающей среде происходит биологическая аккумуляция метилртути, которая беспрепятственно поступает в человеческий организм через пищевые продукты. Атмосферные концентрации ртути в Европе, а также во всем мире обычно находятся на уровне, существенно ниже того, при котором, как известно, оказывается негативное воздействие на здоровье человека в результате вдыхания ртути. Концентрации неорганических соединений ртути в почве и подземных водах обычно находятся на уровне существенно ниже того, при котором, как известно, возникают негативные последствия для здоровья человека в результате потребления питьевой воды.
Метилртуть является сильнодействующим нейротоксичным химическим веществом. Неврожденные дети (т.е. зародыши) являются наиболее уязвимой группой и подвергаются воздействию этого химического вещества главным образом в результате потребления рыбы в рационе матери. Метилртуть также выделяется вместе с молоком матери. Данные человеческого биомониторинга и биомоделирования режима питания свидетельствуют о том, что допустимые объемы поступления метилртути в составе пищевых продуктов превышаются в подгруппах населения, которые потребляют значительное количество рыбы, например в Скандинавии, Северной Америке и Франции. Концентрации ртути в размере 0,5 мг/кг, т.е. показателя, использующегося во многих странах в качестве опорного, нередко превышаются для некоторых видов (главным образом крупных хищных) пресноводных и морских рыб и млекопитающих.
Ретроспективные данные (например, данные об озерных отложениях в Скандинавии) свидетельствуют о том, что в сравнении с доиндустриальной эрой концентрации ртути возросли в 2-5 раз в результате антропогенных выбросов ртути и ее переноса на большие расстояния. Метилртуть, присутствующая в организмах пресноводных рыб, трансформировалась из неорганической ртути, содержащейся в почве и непосредственных атмосферных осаждениях. С 1990-х годов антропогенные выбросы ртути в Европе сократились приблизительно на 50%. Данные моделирования и ограниченного мониторинга свидетельствуют о том, что уровень осаждения ртути в Европе сократится в аналогичном размере. Однако не было отмечено сопутствующего уменьшения концентрации метилртути в организмах пресноводных рыб.
Существует лишь ограниченный объем информации об источниках метилртути, присутствующей в организме морских рыб, и о роли, которую в этом процессе играет перенос загрязнения на большие расстояния. Ряд данных свидетельствует о росте концентрации ртути в организмах морских рыб и млекопитающих в Арктике - этот факт подтверждает воздействие переноса ртути на большие расстояния. В целом потребление рыбы весьма благоприятно сказывается на здоровье человека, однако в организмах представителей некоторых групп населения, потребляющих значительное количество рыбы или рыбы, содержащей загрязняющие вещества, объем поступления метилртути может достигать опасных уровней. В этой связи сокращение концентраций метилртути в рыбе следует рассматривать в качестве высокоприоритетной задачи.
Одним из средств для достижения этой цели является сокращение атмосферных выбросов и переноса загрязнения на большие расстояния.
Ртуть и ее соединения опасны для жизни. Метилртуть особенно опасна для животных и человека, так как она быстро переходит из крови в мозговую ткань, разрушая мозжечок и кору головного мозга. Клинические симптомы такого поражения - оцепенение, потеря ориентации в пространстве, потеря зрения. Симптомы ртутного отравления проявляются не сразу. Другим неприятным последствием отравления метилртутью является проникновение ртути в плаценту и накапливание ее в плоде, причем мать не испытывает при этом болезненных ощущений. Метилртуть оказывает тератогенное воздействие на человека. Ртуть относится к I классу опасности.
Мышьяк
Мышьяк в природе присутствует в виде сульфатов. Его содержание в свинцово-цинковых концентратах около 1 %. Вследствие летучести он легко попадает в атмосферу.
Самыми сильными источниками загрязнения этим металлом являются гербициды (химические вещества для борьбы с сорными растениями), фунгициды (вещества для борьбы с грибными болезнями растений) и инсектициды (вещества для борьбы с вредными насекомыми).
По токсическим свойствам мышьяк относится к накапливающимся ядам. По степени токсичности следует различать элементарный мышьяк и его соединения. Элементарный мышьяк сравнительно мало ядовит, но обладает тератогенными свойствами. Вредное воздействие на наследственный материал (мутагенность) оспаривается.
Соединения мышьяка медленно поглощаются через кожу, быстро всасываются через лёгкие и желудочно-кишечный тракт. Смертельная доза для человека - 0,15-0,3г.
Хроническое отравление вызывает нервные заболевания, слабость, онемение конечностей, зуд, потемнение кожи, атрофию костного мозга, изменения печени. Соединения мышьяка являются канцерогенными для человека. Мышьяк и его соединения относятся ко II классу опасности.
Арсенизм, или отравление мышьяком, столь распространенное и любимое в эпоху средневековья, к счастью в наше время - очень редкая болезнь.
Соли, оксиды и пары мышьяка чрезвычайно опасны. Препараты на основе мышьяка используются в качестве гербицидов для опрыскивания фруктов, в качестве инсектицидов, яда для крыс и во многих промышленных процессах. Различают острый и хронический арсенизм.
Острое отравление, обычно, наблюдаемое при суициде или гоминиде, редко, но хроническое отравление из-за продолжительного контакта с мышьяковой пылью, парами, как в промышленности, так и в сельском хозяйстве является нередко причиной смерти и в наши дни.
Механизм воздействия на клетку еще полностью неясен. Однако известно, что мышьяк соединяется с сульфгидрильными группами (SH - группами). Вот почему при хронической интоксикации мышьяк скапливается в волосах, ногтях, эпидермисе и может там обнаруживаться. Возможно, что мышьяк может инактивировать энзимы, содержащие SH - группы и, таким образом, являться ингибитором дыхательных ферментов.
Проявления арсенизма зависят от дозы. Довольно маленькая доза в 30 мг триоксида мышьяка может быть смертельной. Значительные дозы этого сильнейшего яда могут убить в течение 1-2 часов, вызывая обычно выраженную периферическую вазодиллятацию, резкое уменьшение объема циркулирующей крови и шок.
Хром
Хром необходим нашему организму в определенных дозах, но если его слишком много, он опасен. Считается, что нормой для взрослого человека является 150 мг в сутки. Особенно полезен хром пожилым людям, организм которых плохо усваивает углеводы. А мы должны знать, что именно хром усиливает процессы обмена углеводистых соединений. Так, определенное соединение хрома облегчает проникновение глюкозы через мембрану внутрь клеток. Это так называемый глюкозотолерантный фактор (ГТФ). Наш организм способен вырабатывать ГТФ, но в очень малых количествах. Если хрома в организме недостаточно, уровень холестерина и сахара повышается. Аналогичными свойствами обладает витамин В6.Когда содержание хрома в организме выше нормы, происходит усвоение глюкозы, если же содержание этого элемента снижено, усвоение сахаров нарушается. Биологическое действие хрома: регулирующее уровень глюкозы в крови, термогеническое, антиатеросклеротическое, ранозаживляющее и язвозаживляющее, улучшающее метаболизм миокарда и метаболизм нервной ткани, улучшающее половые функции и др. Люди, работающие в контакте с хромом и вдыхающие хромовую пыль, заболевают раком легких в 20—30 раз чаще тех, кто не соприкасается с хромосодержащими веществами. Очень много хрома обнаруживается обычно в воздухе промышленных районов, если на предприятиях отсутствует хорошая пылеулавливающая система. Хром содержится в медной пыли и в других шлаках. Именно хром вызывает заболевания астмой. В 1973 г канадский доктор Эдвард Конецко сообщил о том, что хром, принимаемый по 1 мг через день, цинк (50 мг ежедневно) и циствин (5 мг ежедневно) способны предупредить и даже лечить катаракту. Однако хром и цинк должны сочетаться с аминокислотами, так как только таким образом они могут переходить в усвояемую форму. Отличные источники хрома — пивные дрожжи, печень. Мы должны употреблять эти продукты хотя бы раз в неделю. Ежедневно можно есть картофель, сваренный в кожуре, свежие овощи, хлеб из муки грубого помола. Говядину, куриные ножки, сыры рекомендуется вводить в рацион один - два раза в неделю. А макароны, кукурузные хлопья, молоко, масло, маргарин, сахар можно вообще исключить: они бедны многими микроэлементами, в том числе и хромом. Терапевтическая ценность хрома в других областях не так твердо установлена, как в случаях диабета, сердечно-сосудистых заболеваний и гипертонии, однако она может распространяться и на многие другие заболевания. Например, он может облегчать хронические головные боли и помогать лечению угревой сыпи, которая, по-видимому, отчасти обусловлена нарушением обмена инсулина. Хром укрепляет кости, повышая уровень дегидроэпиандростерона (ДГЭА), и потому он может входить в программу лечения остеопороза. И хотя мы не можем утверждать, что хром предотвращает глаукому, он может (вместе с витамином С) сдерживать рост внутриглазного давления. Важнейшая биологическая роль микроэлемента хрома состоит в регуляции углеводного обмена и уровня глюкозы крови, поскольку хром является компонентом низкомолекулярного органического комплекса - “фактора толерантности к глюкозе. Он нормализует проницаемость клеточных мембран для глюкозы, процессы использования ее клетками и депонирования, и в этом плане функционирует совместно с инсулином. Предполагают, что они образуют комплекс, регулирующий уровень глюкозы в крови. Хром увеличивает чувствительность клеточных рецепторов тканей к инсулину, облегчая их взаимодействие и уменьшая потребность организма в инсулине. Он способен усиливать действие инсулина во всех метаболических процессах, регулируемых этим гормоном. Поэтому хром необходим больным сахарным диабетом (прежде всего II типа), поскольку уровень его в крови у таких больных понижен. Более того, высокий дефицит этого микроэлемента может стать причиной диабетоподобного состояния. Уровень хрома снижается у женщин во время беременности и после рождения ребенка. Этим дефицитом хрома можно объяснить диабет у беременных, хотя эта причина едва ли единственная. Дефицит хрома в организме, помимо повышения уровня глюкозы в крови, приводит к повышению триглицеридов и холестерина в плазме крови и в конечном итоге к атеросклерозу. Влияние хрома на липидный обмен также опосредуется его регулирующим действием на функционирование инсулина. В связи с изложенным, хром имеет большое значение для профилактики сахарного диабета и сердечно-сосудистых заболеваний.
Свинец
В настоящее время свинец занимает первое место среди причин промышленных отравлений. Это вызвано широким применением его в различных отраслях промышленности. Воздействию свинца подвергаются рабочие, добывающие свинцовую руду, на свинцово-плавильных заводах, в производстве аккумуляторов, при пайке, в типографиях, при изготовлении хрустального стекла или керамических изделий, этилированного бензина, свинцовых красок и др. Загрязнение свинцом атмосферного воздуха, почвы и воды в окрестности таких производств, а также вблизи крупных автомобильных дорог создает угрозу поражения свинцом населения, проживающего в этих районах, и прежде всего детей, которые более чувствительны к воздействию тяжелых металлов.
Отравление свинцом (сатурнизм) - представляет собой пример наиболее частого заболевания, обусловленного воздействием окружающей среды. В большинстве случаев речь идет о поглощении малых доз и накопление их в организме, пока его концентрация не достигнет критического уровня необходимого для токсического проявления. Острые свинцовые отравления встречаются редко. Их симптомы - слюнотечение, рвота, кишечные колики, острая форма отказа почек, поражение мозга. В тяжёлых случаях - смерть через несколько дней.
Ранние симптомы отравления свинцом проявляются в виде повышенной возбудимости, депрессии и раздражительности. При отравлении органическими соединениями свинца его повышенное содержание обнаруживают в крови.
Существует острая и хроническая форма болезни. Острая форма возникает при попадании значительных его доз через желудочно-кишечный тракт или при вдыхании паров свинца, или при распылении свинцовых красок. Хроническое отравление наиболее часто возникает у детей, лижущих поверхность предметов, окрашенных свинцовой краской. Дети в отличие от взрослых гораздо легче абсорбируют свинец. Хроническое отравление может развиваться при использовании плохо обожженной керамической посуды, покрытой эмалью, содержащей свинец, при употреблении зараженной воды, особенно в старых домах, где канализационные трубы содержат свинец, при злоупотреблении алкоголем, изготовленным в перегонном аппарате, содержащим свинец. Проблема хронической интоксикации связана также с наличием паров свинца при применении тетраэтилсвинца при ожогах в качестве артишокового препарата.
Выбросы газа отравляют не только атмосферу, но почву, и воду, и продукты питания. Только в Северной Америке такие выбросы в атмосферу составляют 200 тыс. тон свинца ежегодно. Отравление атмосферы повсеместно и в среднем взрослый человек получает примерно от 150 до 400 мг свинца и его концентрация в крови и в тканях составляет до 25 мг/100 мл. Для возникновения клинических признаков болезни необходимо около 80 мг/100.
Попадая оральным путем, свинец абсорбируется в кишечнике и достигает печени, откуда с желчью вновь попадает в 12-ти перстную кишку. Одна часть свинца реабсорбируется, другая удаляется с испражнениями. Если свинец попадает через дыхательные пути, он быстро достигает кровотока и тогда его действие максимально. Из крови свинец экскретируется почками, часть его депонируется в костях. Свинец ингибирует действие многих энзимою, а также инкорпорацию железа в организме, в результате чего в моче резко увеличивается количество свободного протопорфирина. Его увеличение в моче является четким клиническим признаком сатурнизм.
Органами -- мишенями при отравлении свинцом являются кроветворная и нервная системы, почки. Менее значительный ущерб сатурнизм наносит желудочно-кишечному тракту. Один из основных признаков болезни -- анемия, возникающая в результате усиленного гемолиза. Эта анемия характеризуется “точечным крапом” эритроцитов в виде барофильных гранул, хорошо выявляемых, при окраске метиленовым синим. На уровне нервной системы отмечается поражение головного мозга и периферических нервов. Сатурнизм-обусловленная энцефалопатия чаще наблюдается у детей, реже - у взрослых. В головном мозге выражен диффузный отек серого и белого вещества в сочетании с дистрофическими изменениями кортикальных и ганглионарных нейронов, демиэлинизация белого вещества. В капиллярах и артериолах отмечается пролиферация эндотелиоцитов. Мозговые поражения клинически сопровождаются конвульсиями и бредом, иногда приводят к сонливости и в коме. Из периферических нервов чаще всего поражаются наиболее “активные” двигательные нервы мышц. Морфологически наблюдается их демиэлинизация с последующим повреждением осевых цилиндров. Тяжелее всего страдают мышцы - разгибатели кисти, которая приобретает вид “рогов оленя”. Паралич m. perineum приводит к положению “согнутой ноги”.
При хроническом сатурнизме характерно появление кислотоустойчивых внутриядерных включений в эпителиальных клетках проксимальных канальцах нефрона. Эти включения содержат магний, кальций, свинец и протеины. Каково бы ни было их происхождение, выявление этих включений является важным морфологическим признаком сатурнизма. У некоторых больных может наблюдаться развитие хронического тубуло-интерстициального нефрита и хронической почечной недостаточности.
Интоксикация свинцом может быть, по большей части предупреждена, особенно у детей. Законы запрещают использовать краски на основе свинца, равно как и его присутствие в них. Соблюдение этих законов может хоть частично решить проблему этих “тихих эпидемий”.
Свинец является металлом, оказывающим хорошо известное нейротоксическое воздействие. Нарушение процесса развития нервной системы детей является наиболее важным воздействием свинца. Эти нарушения могут объясняться его воздействием на эмбрионы, а также в период грудного вскармливания и в раннем детском возрасте.
Свинец накапливается в скелете, и его поступление из костей в период беременности и грудного кормления вызывает воздействие на эмбрионы и детей, вскармливаемых грудью. В этой связи важное значение имеет воздействие свинца на организм женщин до беременности.
В последние десятилетия во многих районах отмечено значительное сокращение уровней Pb-B, главным образом, в результате постепенного прекращения использования этилированного бензина, а также в связи с уменьшением воздействия других источников. Существующий в настоящее время самый низкий средний уровень Pb-B в ряде европейских стран составляет около 20 мкг/л; однако, в отношении многих районов
Европы отсутствует надежная информация об уровнях Pb-B.
Относительный вклад источников зависит от местных условий. Пища является доминирующим источником поступления свинца в организм человека во всех группах населения. Важным источником поступления свинца в организм младенцев и детей младшего возраста может быть также попадание в организм через их руки пищи, содержащей частицы загрязненной почвы, пыли и свинцовой (старой) краски. При использовании водопроводных систем со свинцовыми трубами поступление свинца в организм через питьевую воду может быть также важным источником, в особенности для детей. Воздействие свинца в результате вдыхания может быть также значительным в тех случаях, когда концентрации свинца в окружающем воздухе являются высокими.
В последние десятилетия концентрации свинца в окружающем воздухе сократились: в период 1990-2003 годов уровни содержания свинца в воздухе сократились на 50-70% в Европе. Аналогичным образом сократились уровни атмосферного осаждения. Ежегодные объемы поступления свинца в верхние слои почвы в результате ТЗВБР и в связи с использованием минеральных и органических удобрений имеют практически одинаковый порядок величины и изменяются между странами, а также в зависимости от объема сельскохозяйственной деятельности. Это поступление является относительно небольшим в сравнении с уже накопленными запасами свинца, поступающими из природных источников и в результате ресуспендирования. Однако ТЗВБР может в значительной степени повышать содержание свинца в сельскохозяйственных культурах в результате непосредственного осаждения. Хотя объемы его поглощения через корни растений являются относительно небольшими, в долгосрочной перспективе особую озабоченность вызывает рост концентраций свинца в почве, которому следует препятствовать ввиду возможной опасности воздействия низких концентраций свинца на здоровье человека. Поэтому объемы атмосферных выбросов свинца следует поддерживать на максимально возможном низком уровне. Содержание свинца в магматических породах позволяет отнести его к категории редких металлов. Он концентрируется в сульфидных породах, которые встречаются во многих местах в мире. Свинец легко выделить путем
выплавки из руды. В природном состоянии он обнаруживается в основном в виде галенита (РbS)
Кадмий, цинк
Кадмий и цинк являются наиболее важными металлами при изучении проблемы загрязнений, так они широко распространены в мире и обладают токсичными свойствами. Кадмий и цинк (так же как свинец и ртуть) обнаружены в основном в сульфидных осадках. В результате атмосферных процессов эти элементы легко попадают в океаны. В почвах содержится приблизительно 4,5х10 -4
%. Растительность содержит различное количество обоих элементов, но содержание цинка в золе растений относительно высоко -0,14;, так как этот элемент играет существенную роль в питании растений.
Около 1 млн. кг кадмия попадает в атмосферу ежегодно в результате деятельности заводов по его выплавке, что составляет около 45 % общего загрязнения этим элементом. 52 % загрязнений попадают в результате сжигания или переработки изделий, содержащих кадмий. Кадмий обладает относительно высокой летучестью, поэтому он легко проникает в атмосферу.
Попадание кадмия в природные воды происходит в результате применения его в гальванических процессах и техники. Наиболее серьёзные источники загрязнения воды цинком - заводы по выплавке цинка и гальванические производства.
Потенциальным источником загрязнением кадмием являются удобрения. При этом кадмий внедряется в растения, употребляемые человеком в пищу, и в конце цепочки переходят в организм человека. Кадмий и цинк легко проникают в морскую воду и океан через сеть поверхностных и грунтовых вод.
Кадмий накапливается в определённых органах животных (особенно в печени и в почках).
Кадмий и его соединения относятся к I классу опасности. Он проникает в человеческий организм в течение продолжительного периода. Вдыхание воздуха в течение 8 часов при концентрации кадмия 5 мг/м3
может привести к смерти.
При хроническом отравлении кадмием в моче появляется белок, повышается кровяное давление.
При исследовании присутствия кадмия в продуктах питания было выявлено, что выделения человеческого организма редко содержат столько же кадмия, сколько было поглощено. Единого мирового мнения относительно приемлемого безопасного содержания кадмия в пище сейчас нет.
Одним их эффективных путей предотвращения поступления кадмия в виде загрязнений состоит в введении контроля за содержанием этого металла в выбросах плавильных заводов и других промышленных предприятий.
Почки и кости являются целевыми органами, подвергающимися наибольшему воздействию окружающей среды. В число основных видов критического воздействия входят:
a) Повышенное содержание белков с низким молекулярным весом в моче в результате повреждения проксимальных тубулярных клеток и
b) Увеличение опасности остеопороза.
Сообщалось также о повышенной опасности рака легких в результате воздействия через дыхательные пути в ходе осуществления профессиональной деятельности.
Запас безопасности между содержанием кадмия в суточном рационе, который не оказывает какого-либо воздействия, и содержанием, которое может привести к возникновению последствий, является весьма малым, а для групп населения, подверженных высокому уровню воздействия, - практически нулевым. В группы населения, подверженные риску, входят престарелые лица, диабетики и курильщики. Женщины могут быть подвержены более высокой опасности ввиду того, что с учетом более низкого содержания железа в их организмах они поглощают по сравнению с мужчинами более значительные объемы кадмия при одинаковом уровне воздействия.
Пища является основным источников воздействия кадмия на все группы населения (более чем 90% общего объема поступления в организмы некурящих). В сильно загрязненных районах пыль, содержащаяся в окружающем воздухе, может в значительной степени загрязнять сельскохозяйственные культуры и оказывать воздействие через дыхательные и пищеварительные тракты.
Ежегодные объемы поступления кадмия в верхние слои почвы в результате ТЗВБР и в связи с использованием минеральных и органических удобрений имеют приблизительно одинаковый порядок величины. Это поступление увеличивает уже имеющиеся и нередко относительно значительные объемы кадмия, содержащиеся в верхних слоях почвы.
Несмотря на сокращение выбросов кадмия, его концентраций в окружающем воздухе и уровней его осаждения, недавно опубликованные данные не свидетельствуют об уменьшении содержания кадмия в организмах некурящих в течение последнего десятилетия. Результаты исследований баланса кадмия в верхних слоях пахотной почвы свидетельствуют о том, что поступление кадмия по-прежнему превышает его удаление.
Кадмий накапливается в почвах и водосборных бассейнах при определенных условиях состояния окружающей среды и тем самым увеличивает риск будущего воздействия через пищевые продукты. В этой связи с учетом малого запаса безопасности следует приложить все силы для дальнейшего сокращения атмосферных выбросов кадмия и других видов поступления кадмия в почву.
Разговор о кадмии должен быть особым. Л.Г. Бондарев приводит тревожные данные шведского исследователя М. Пискатора о том, что разница между содержанием этого вещества в организме современных подростков и критической величиной, когда придется считаться с нарушениями функции почек, болезнями легких и костей, оказывается очень малой. Особенно у курильщиков. Табак во время своего роста очень активно и в больших количествах аккумулирует кадмий: его концентрация в сухих листьях в тысячи раз выше средних значений для биомассы наземной растительности.
Жесткость воды
Жесткость воды определяется содержанием в ней растворенных солей кальция и магния. Двууглекислые соли кальция и магния, например гидрокарбонат кальция Са(НСО3
), обуславливают карбонатную, или временную, жесткость воды, которая полностью устраняется при кипячении воды в течение часа. Все остальные соли, например, соли сильных кислот – сульфаты и хлориды кальция и магния, образуют некарбонатную, или постоянную, жесткость воды (это такая жесткость, которая остается после кипячения воды в течение указанного выше времени). Сумма карбонатных и некарбонатных солей кальция и магния составляет так называемую общую жесткость воды. При длительной кипячении воды, обладающей карбонатной жесткостью, в ней появляется осадок, состоящий главным образом из СаСО3
,и одновременно выделяется углекислый газ СО2
. Оба эти вещества появляются вследствие разложения гидрокарбоната кальция. Именно поэтому карбонатную жесткость называют временной жесткостью. Существует мнение \, что жесткая вода – это плохая вода. Действительно при нагревании воды с высокой жесткостью образуется накипь, жесткая вода имеет привкус, требует значительно больше моющих средств. Однако есть и положительные качества солей жесткости, растворенных в воде, но об этом пойдет речь в последующих материалах статьи. В Российской Федерации жесткость воды выражают суммой миллимолей ионов кальция и магния, содержащихся в одном литре воды. Измеряется в миллимолях на литр. 1 моль/л соответствует количеству любого вещества в мг/л, равному его молекулярной массе, разделенной на валентность. Простой расчет показывает, что 1 моль/л отвечает содержанию в одном литре воды 20,04 мг/л Са2+
или 12,16 мг/л Mg2+
.
Присутствие в воде значительного количества солей кальция и магния делает воду непригодной для многих технических целей. Так, при продолжительном питании паровых котлов жесткой водой их стенки постепенно покрываются плотной коркой накипи (такая же накипь образуется и на стенках кастрюль и чайников, в которых кипятится вода). Накипь, даже при толщине слой в 1мм значительно снижает передачу теплоты стенками котла, следовательно, ведет к увеличению расхода топлива. Кроме того, она служит причиной образования вздутий и трещин, как в кипятильных трубках, так и на стенках самого котла. Жесткой водой нельзя пользоваться при проведении некоторых технологических операций, например при крашении, водорастворимыми красками. В санитарных правилах, нормах и гигиенических нормативах общая жесткость воды, используемой для питьевых и хозяйственно – бытовых нужд, нормируется: допустимое максимальное содержание солей жесткости в воде по суммарному содержанию в ней ионов кальция и магния составляет 7(10)моль/л величина, указанная в скобках, может быть установлена по установлению государственного санитарного врача для конкретной системы водоснабжения.
Практическая часть
Обычные методы очистки воды
В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно- бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.
Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения - сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода). Очистка сточных вод - вынужденное и дорогостоящее мероприятие, представляющее собой довольно сложную задачу, связанную с большим разнообразием загрязняющих веществ и появлением в их составе новых соединений.
Методы очистки вод можно разделить на 2 большие группы: деструктивные и регенеративные.
В основе деструктивных методов лежат процессы разрушения загрязняющих веществ. Образующиеся продукты распада удаляются из воды в виде газов, осадков или остаются в воде, но уже в обезвреженном виде.
Регенеративные методы - это не только очистка сточных вод, но и утилизация ценных веществ, образующихся в отходах.
Методы очистки вод можно разделить на: механические, химические, гидрохимические, электрохимические, физико-химические и биологические. Когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным. Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примеси.
Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения - нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве.
Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%.
Гидромеханические методы применяют для извлечения из сточных вод нерастворимых грубодисперсных примесей органических и неорганических веществ путем отстаивания, процеживания, фильтрования, центрифугирования. С этой целью используют различные конструктивные модификации сит, решеток, песколовок, отстойников, центрифуг и гидроциклонов.
Электрохимические методы очистки сточных вод от различных растворимых и диспергированных примесей включают анодное окисление и катодное восстановление, электрокоагуляцию, электродиализ. Процессы, лежащие в основе этих методов, протекают при пропускании через сточную воду электрического тока. Под действием электрического поля положительно заряженные ионы мигрируют к катоду, а заряженные отрицательно - к аноду. В прикатодном пространстве происходят процессы восстановления, а в прианодном - процессы окисления.
Физико-химические методы очистки сточных вод многообразны. Это коагуляция, флотация, адсорбционная очистка, ионный обмен, экстракция, обратный осмос и ультрафикация. При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонкодисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества.
Биохимические методы очистки сточных вод. Применяются для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитратов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания, превращения их в воду, диоксид углерода, сульфат-фосфат-ион и др. и увеличивая свою биомассу.
Также к основным методам очистки воды относятся ниже перечисленные методы:
Осветление - удаление из воды взвешенных веществ. Реализуется фильтрацией воды через пористые фильтроэлементы (картриджи) или через слой фильтроматериала. Осветление воды путем осаждения взвешенных веществ. Эту функцию выполняют осветлители, отстойники и фильтры. В осветлителях и отстойниках вода движется с замедленной скоростью, вследствие чего происходит выпадение в осадок, взвешенных частиц. В целях осаждения мельчайших коллоидных частиц, которые могут находиться во взвешенном состоянии неопределенно долгое время, к воде прибавляют раствор коагулянта (обычно сернокислый алюминий, железный купорос или хлорное железо). В результате реакции коагулянта с солями многовалентных металлов, содержащимися в воде, образуются хлопья, увлекающие при осаждении взвеси и коллоидные вещества.
Коагуляция - обработка воды специальными химическими реагентами для укрупнения частиц загрязнений. Делает возможными или интенсифицирует осветление, обесцвечивание, обезжелезивание. Коагуляцией примесей воды называют процесс укрупнения мельчайших коллоидных и взвешенных частиц, происходящий вследствие их взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения.
Окисление - обработка воды кислородом воздуха, гипохлоритом натрия, марганцовокислым калием или озоном. Обработка воды окислителем (или их комбинацией) делает возможными или интенсифицирует обесцвечивание, дезодорацию, обеззараживание, обезжелезивание, деманганацию.
Обесцвечивание - удаление или видоизменение веществ, придающих воде цвет. Реализуется различными методами, в зависимости от причины цветности. Обесцвечивание воды, т. е. устранение или обесцвечивание различных окрашенных коллоидов или полностью растворенных веществ может быть достигнуто коагулированием, применением различных окислителей (хлор и его производные, озон, перманганат калия) и сорбентов (активный уголь, искусственные смолы).
Обеззараживание - обработка воды окислителями и/или УФ-излучением для уничтожения микроорганизмов. Обеззараживание воды (удаление бактерий, спор, микробов и вирусов) является заключительным этапом подготовки воды питьевой кондиции. Использование для питья подземной и поверхностной воды в большинстве случаев невозможно без обеззараживания. Обычными методами при очистке воды являются:
1. Хлорирование путем добавления хлора, диоксида хлора, гипохлорита натрия или кальция.
2. Озонирование. При применении озона для подготовки питьевой воды используются окислительные и дезинфицирующие свойства озона.
3. Ультрафиолетовое облучение. Используется энергия ультрафиолетового излучения для уничтожения микробиологических загрязнений. Кишечная палочка, бацилла дизентерии, возбудители холеры и тифа, вирусы гепатита и гриппа, сальмонелла погибают при дозе облучения менее 10 мДж/см2, а ультрафиолетовые стерилизаторы обеспечивают дозу облучения не менее 30 мДж/см2.
Обезжелезивание/деманганация - превращение растворённых соединений железа и марганца в нерастворимые и удаление тех и других путем фильтрования, как правило, через специальные фильтроматериалы. Решение проблемы очистки воды от железа представляется довольно сложной и комплексной задачей. К наиболее часто используемым методам можно отнести:
1.Аэрирование - окисление кислородом воздуха с последующим осаждением и фильтрацией. Расход воздуха для насыщения воды кислородом составляет около 30 л/м3. Это традиционный метод, применяемый уже много десятилетий. Реакция окисления железа требует довольно длительного времени и больших резервуаров, поэтому этот способ используется только на крупных муниципальных системах.
2.Каталитическое окисление с последующей фильтрацией. Наиболее распространенный на сегодняшний день метод удаления железа, применяемый в высокопроизводительных компактных системах. Суть метода заключается в том, что реакция окисления железа происходит на поверхности гранул специальной фильтрующей среды, обладающей свойствами катализатора (ускорителя химической реакции окисления). Наибольшее распространение в современной водоподготовке нашли фильтрующие среды на основе диоксида марганца (MnO2). Железо в присутствии диоксида марганца быстро окисляется и оседает на поверхности гранул фильтрующей среды. Впоследствии большая часть окисленного железа вымывается в дренаж при обратной промывке. Таким образом, слой гранулированного катализатора является одновременно и фильтрующей средой. Для улучшения процесса окисления в воду могут добавляться дополнительные химические окислители.
Умягчение - замена катионов кальция и магния в воде на эквивалентное количество катионов натрия или водорода. Реализуется фильтрованием воды через специальные ионообменные смолы. С жесткой водой сталкивался каждый, достаточно вспомнить о накипи в чайнике. Жесткая вода не годится при окрашивании тканей водорастворимыми красками, в пивоварении, производстве водки. В ней хуже пенится стиральный порошок и мыло. Высокая жесткость воды делает её непригодной и для питания газовых и электрических паровых котлов и бойлеров. Слой накипи в 1,5 мм снижает теплоотдачу на 15%, а слой толщиной 10мм - уже на 50%. Снижение теплоотдачи ведет к увеличению расхода топлива или электроэнергии, что, в свою очередь, ведет к образованию прогаров, трещин на трубах и стенках котлов, выводя преждевременно из строя системы отопления и горячего водоснабжения. Наиболее эффективным способом борьбы с высокой жесткостью является применение автоматических фильтров - смягчителей. В основе их работы лежит ионообменный процесс, при котором растворенные в воде жесткие соли заменяются на мягкие, которые не образуют твердых отложений.
Обессоливание - удаление из воды растворённых солей на ионообменных смолах или фильтрование воды через специальные плёнки (мембраны), пропускающие только молекулы воды.
Все большее значение в охране поверхностных вод от загрязнения и засорения приобретают агролесомелиорация и гидротехнические мероприятия. С их помощью можно предотвращать заиление и зарастание озер, водохранилищ и малых рек. Выполнение этих работ позволит уменьшить загрязнение поверхностный сток и будет способствовать чистоте водоемов.
Виды фильтров для воды
Существует целый ряд устройств для водоподготовки, позволяющих в домашних условиях удалить из воды загрязнения или вредные примеси. Такие фильтры (их еще называют бытовыми) создаются для борьбы с различными проблемами воды. В зависимости от конструктивных особенностей и способа очистки они могут иметь различную скорость очистки воды (производительность) и различный ресурс сменных модулей. Механические, химические, сорбционные и мембранные фильтры для очистки воды, системы водоподготовки зарубежного и отечественного производства: чтобы выбрать нужный фильтр, надо хорошо разбираться в принципах работы этих устройств. Процесс очистки воды имеет несколько стадий. Сначала удаляются механические загрязнения, то есть вещества, находящиеся в воде в виде взвеси, а не раствора. Затем наступает черед растворенных веществ. Для ликвидации крупных частиц (свыше 20-50 микрон) используют сетчатые или дисковые фильтры грубой очистки, или предфильтры, подсоединяемые к водопроводу. Для очистки от грубых примесей в многоступенчатых фильтрах применяются намоточные картриджи из полипропилена или из полимерной пены. Эти фильтры предназначены для защиты сантехники и бытовой техники; они же "облегчают жизнь" фильтру тонкой очистки воды. Чтобы сделать воду пригодной для питья, одной механический очистки недостаточно. Здесь придут на помощь фильтры для питьевой воды. Это могут быть фильтры-накопители ("кувшины") или проточные фильтры, подсоединяемые к водопроводу временно или стационарно. В кувшинах очистка воды происходит при естественном просачивании воды через фильтрующий элемент. В проточных фильтрах вода проходит через фильтрующие элементы под давлением. Эти фильтры очень разнообразны:
- насадки на кран;
- фильтрующие устройства, подсоединяемые к крану на время фильтрации воды;
- фильтры, встраиваемые в водопровод.
По принципу действия проточные фильтры подразделяются на следующие категории. Угольные фильтры
. Благодаря своей высокой адсорбционной способности, активированный уголь эффективно поглощает остаточный хлор, растворённые газы, органические соединения. В настоящее время в фильтрах для питьевой воды применяют активированный уголь из скорлупы кокоса, сорбционная емкость которого в 4 раза выше, чем угля, получаемого из древесины берёзы. Угольные картриджи являются составной частью многих фильтров для очистки воды и служат для доочистки питьевой воды. Фильтры - обезжелезиватели
. Удаляют железо и марганец. В качестве фильтрующей среды используются полимерные вещества, включающие в свой состав катализаторы реакции окисления. В ходе химической реакции, растворённые в воде железо или марганец переходят в нерастворимую форму, выпадают в осадок и задерживаются в фильтрующей системе, затем вымываются при дальнейшей промывке фильтра.
Фильтры - смягчители
. Снижают жёсткость воды, удаляя излишек солей жесткости (соединения кальция, магния и других элементов). Благодаря применению специальных засыпок фильтры этого типа могут справиться и с задачами обезжелезивания, удаляя из воды определённое количество железа, марганца, а также нитритов, сульфатов, солей тяжёлых металлов, органических соединений. Фильтры этого типа требуют регенерации специальным солевым раствором. Ультрафиолетовые стерилизаторы реже применяются для очистки воды в наших квартирах, поскольку водопроводная вода и без того щедро насыщается хлором, убивающим бактерии. Однако в загородном доме такой фильтр может очень пригодиться. Параметры УФ излучения подобраны таким образом, что гарантируют почти полную стерилизацию воды. В качестве стерилизаторов этого типа широко применяются специальные ультрафиолетовые лампы, смонтированные в жёстком корпусе, внутри которого протекает вода, подвергаясь воздействию ультрафиолетового излучения. Фильтры обратного осмоса. В процессе обратного осмоса вода и растворённые в ней вещества разделяются на молекулярном уровне и остаются по разные стороны так называемой мембраны. Мембрана обратного осмоса не пропускает слишком большие молекулы органических веществ, вирусов и бактерий. Фильтр обратного осмоса выручит, даже если концентрация вредных примесей в воде многократно превышает предельно допустимые нормы.
Очистка воды от тяжелых металлов
Вода должна быть безвредной для человека по химическому составу и безопасной в эпидемиологическом отношении. Самая безопасная вода — кипяченая. Кипятить воду следует в течение 5-7 минут, а хранить не более 1 -2 суток. Однако при кипячении вода полностью или частично теряет полезные элементы. Так что питьевую воду лучше все-таки очищать, а не кипятить. Наиболее простой способ очистки воды — ее отстаивание. Отстаивать воду следует не менее 10 часов в открытых сосудах в местах, защищенных от попадания прямых солнечных лучей. В результате испаряется хлор, а соли тяжелых металлов оседают на дно. Улучшить качество питьевой воды, уменьшить вредное действие нитратов, хлоридов и других химических соединений, содержащихся в ней, помогает замораживание воды с последующим оттаиванием (талая вода).
В небольших количествах талую воду можно получить, используя сосуды с широким, как дно, горлом: жестяные банки, бумажные и полиэтиленовые пакеты, алюминиевые бидоны. Не годятся для этой цели стеклянная, эмалированная, глиняная посуда и емкости из оцинкованного железа.
Процесс получения талой воды несложный: в сосуд наливают отстоянную воду и помещают в морозильную камеру. Сначала замерзает вода около стенок сосуда (этот лед чистый и прозрачный). Вода, насыщенная вредными веществами, замерзает позже, скапливаясь в середине емкости. Лед, полученный из нее,— белесоватый и мутный. Не следует давать возможности образовываться «серединному» льду: неочищенную воду необходимо слить, а чистый лед растопить и употреблять в пищу. Использование талой воды в пищевом рационе рекомендуется дополнять небольшим количеством минеральной воды.
Существуют и другие народные способы обеззараживания воды.
Если в полевых условиях необходимо очистить от микробов болотную воду, можно воспользоваться рябиной. Для этого достаточно опустить ее веточки на 2-3 часа в кружку с водой. После этого ее можно пить, не рискуя подхватить желудочно-кишечное заболевание. Болотный запах и привкус также исчезнут. Все болезнетворные микробы в болотной воде убивает и черемуха. Для этого веточку черемухи нужно поместить в кружку с болотной водой на 2-3 минуты. Такая вода становится душистой и пригодной для питья. Однако наиболее эффективный способ очистки в домашних условиях это использование различного типа бытовых очистителей. Покупая очиститель для питьевой воды, следует четко представлять, каким требованиям должен удовлетворять его фильтрующий элемент. Только в этом случае можно выбрать устраивающий вас по качеству очистки, цене и производительности бытовой очиститель. Питьевая вода должна проходить не менее трех стадий очистки: механическую, химическую и микробиологическую. Микропористый фильтрующий элемент должен:
— механически задерживать ржавчину, глину, песок, нерастворимые химические соединения, микробы и вирусы, прикрепленные к частичкам грязи, микрофлору и другие взвешенные примеси; очищать воду от активного хлора, хлор и фосфорсодержащих пестицидов, фенолов, железа, тяжелых и радиоактивных металлов; предотвращать размножение отфильтрованных бактерий. Это придает фильтру дополнительный бактериостатический эффект и достигается с помощью присутствия серебра; легко и многократно регенерироваться в домашних условиях от поглощенных механических и химических загрязнений.
Хорошие стационарные бытовые очистители могут иметь несколько блок-модулей. Первый модуль задерживает ржавчину, песок и другие механические примеси; второй — надежно удаляет хлор, тяжелые металлы, фенол и пестициды; третий — убивает бактерии и вирусы. В некоторых случаях необходим модуль для смягчения воды.
Методы очистки воды
Как известно, вода применяется повсеместно, в том числе, для хозяйственно-бытовых и промышленных нужд. Но для того, чтобы воду сделать по-настоящему безвредной, прозрачной и приятной на вкус, ее требуется сначала очистить. Методы очистки воды от загрязнений разнообразны, и охватить в этой статье все возможные нюансы технологий водоочистки, пожалуй, не получится, однако здесь мы можем провести общую классификацию всех этих способов, не вдаваясь в их подробности. Итак, технологии очистки воды и принципы работы очистных устройств можно условно разделить на физико-химические, биологические и механические. Химический процесс очистки воды, как правило, заключается в ее хлорировании или озонировании. Иногда, в особых случаях, используются и иные технологии. Сейчас способ очистки воды хлорированием уже устарел и постепенно уходит в прошлое, но раньше он повсеместно применялся на крупных станциях водоподготовки. Озонирование же – технология хоть и хорошая, но весьма дорогостоящая и сложная, поэтому широкого распространения он не имеет. Существуют и другие химические способы очистки воды, применяемые индивидуально. Есть специальные препараты, входящие в различные комплекты выживания, с помощью которых можно обрабатывать небольшие объемы загрязненной и изначально непригодной для употребления воды. Под физическими способами очистки воды подразумевается, как не сложно догадаться, некое физическое воздействие. Простейшей физической технологией водоочистки можно назвать, пожалуй, кипячение. Кипячение, с одной стороны, полностью очищает воду от любых болезнетворных организмов, но с другой стороны, такой принцип очистки воды не позволяет избавиться от различных химических загрязнений и может применяться лишь в ограниченных объемах. Другая технология физической очистки – это облучение воды ультрафиолетом. Надо отметить, что это актуальный и современный метод очистки воды, применяемый массово на крупных объектах водоочистки. В процессе очистки воды облучением уничтожаются все вредные микроорганизмы, а вода при этом не обрабатывается вредными для здоровья химикатами. Механические технологии водоочистки предполагают использование всевозможных фильтров. Фильтры бывают разные: грубые – для очистки воды от крупного мусора и песка – и тонкие – позволяющие отфильтровать очень мелкую пыль, а некоторые механические устройства очистки воды помогают удалить даже химические примеси и микроорганизмы. Биологический метод очистки воды заключается в использовании микроорганизмов, способных питаться органическими веществами и тем самым уничтожать их, очищая воду от коллоидных примесей и тонких суспензий. Конечно, при применении новых методов очистки воды вышеперечисленные способы, для достижения наилучшего результата, как правило, комбинируются. Фильтры высокотехнологичных устройств очистки воды могут сочетать в себе и химические, и механические, и биологические принципы работы.
|
