Тяжелые металлы

Тяжелые металлы

Введение

Понятие "тяжелые металлы" 2

Ванадий 6

Висмут 6

Железо 6

Кадмий 7

Кобальт 7

Марганец 8

Медь 9

Молибден 11

Мышьяк 11

Никель 12

Олово 13

Ртуть 14

Свинец 14

Серебро 17

Сурьма 17

Хром 18

Цинк 18

Список литературы 19

Понятие "тяжелые металлы".

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам,

наблюдения за которыми обязательны во всех средах.

Термин тяжелые металлы, характеризующий широкую группу загрязняющих

веществ, получил в последнее время значительное распространение. В

различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение

этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе

тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев

принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса,

плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень

вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под

определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким

(например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).

В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды

и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам

относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной

массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn,

Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых

металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых

организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к

биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под

это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута,

биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют

в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По

классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью

более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni,

Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.

Формально определению тяжелые металлы соответствует большое количество

элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической

деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием и

загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов далеко не

равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит

сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями

приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ. Так, в

ставших уже классическими работах Ю.А. Израэля в перечне химических

веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях в

биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы поименованы Pb, Hg, Cd,

As. С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых

металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и

занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в

европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым

металлам. По определению Н. Реймерса отдельно от тяжелых металлов стоят

благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Cu, Zn,

Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу тяжелых металлов

чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn.

Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В

зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал,

наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в

состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений,

которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить

в состав минеральных и органических взвесей.

Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма

разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической

полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и

комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как

каталитические свойства металлов, так и доступность для водных

микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.

Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти

комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных

водах. Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и

являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями

железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых

металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной,

слабокислой и слабощелочной сред. Поэтому металлорганические комплексы

способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния.

Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь

поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно.

Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в

природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую

доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание,

но и долю свободных и связанных форм металла.

Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет три

следствия:

1. может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за

счет перехода его в раствор из донных отложений;

2. мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться

от проницаемости гидратированных ионов;

3. токсичность металла в результате комплексообразования может сильно

измениться.

Так, хелатные формы Cu, Cd, Hg менее токсичны, нежели свободные ионы.

Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных

водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и

токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю

связанных и свободных форм [34].

Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами служат сточные воды

гальванических цехов, предприятий горнодобывающей, черной и цветной

металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав

удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с

сельскохозяйственных угодий.

Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано

с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадение кислотных

осадков способствует снижению значения рН и переходу металлов из

сорбированного на минеральных и органических веществах состояния в

свободное.

Прежде всего представляют интерес те металлы, которые в наибольшей степени

загрязняют атмосферу ввиду использования их в значительных объемах в

производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде

представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности

и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут,

кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и

мышьяк.

Биогеохимические свойства тяжелых металлов

|Свойство |.Cd.|.Co.|.Cu.|.Hg.|.Ni.|.Pb.|.Zn .|

|Биохимическая активность |В |В |В |В |В |В |В |

|Токсичность |В |У |У |В |У |В |У |

|Канцерогенность |— |В |— |— |В |— |— |

|Обогащение аэрозолей |В |Н |В |В |Н |В |В |

|Минеральная форма |В |В |Н |В |Н |В |Н |

|распространения | | | | | | | |

|Органическая форма |В |В |В |В |В |В |В |

|распространения | | | | | | | |

|Подвижность |В |Н |У |В |Н |В |У |

|Тенденция к |В |В |У |В |В |В |У |

|биоконцентрированию | | | | | | | |

|Эффективность накопления |В |У |В |В |У |В |В |

|Комплексообразующая |У |Н |В |У |Н |Н |В |

|способность | | | | | | | |

|Склонность к гидролизу |У |Н |В |У |У |У |В |

|Растворимость соединений |В |Н |В |В |Н |В |В |

|Время жизни |В |В |В |Н |В |Н |В |

В — высокая, У — умеренная, Н — низкая

10 наиболее загрязненных городов бывшего СССР.

Металлы приведены в порядке убывания уровня приоритетности для данного

города.

|1. Рудная Пристань (Приморский |свинец, цинк, медь, марганец+ванадий,|

|край) |марганец. |

|2. Белово (Кемеровская область) |цинк, свинец, медь, никель. |

|3. Ревда (Свердловская область) |медь, цинк, свинец. |

|4. Магнитогорск |никель, цинк, свинец. |

|5. Глубокое (Белоруссия) |медь, свинец, цинк. |

|6. Усть-Каменогорск (Казахстан) |цинк, медь, никель. |

|7. Дальнегорск (Приморский край) |свинец, цинк. |

|8. Мончегорск (Мурманская |никель. |

|область) | |

|9. Алаверди (Армения) |медь, никель, свинец. |

|10. Константиновка (Украина, |свинец, ртуть. |

|Донецкая обл) | |

Ванадий

Ванадий находится преимущественно в рассеянном состоянии и

обнаруживается в железных рудах, нефтях, асфальтах, битумах, горючих

сланцах, углях и др. Одним из главных источников загрязнения природных вод

ванадием являются нефть и продукты ее переработки.

В природных водах встречается в очень малой концентрации: в воде рек

0.2 - 4.5 мкг/дм3, в морской воде - в среднем 2 мкг/дм3

.

В воде образует устойчивые анионные комплексы (V4O12)4- и (V10O26)6-. В

миграции ванадия существенна роль растворенных комплексных соединений его с

органическими веществами, особенно с гумусовыми кислотами.

Повышенные концентрации ванадия вредны для здоровья человека. ПДКв

ванадия составляет 0.1 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности —

санитарно-токсикологический), ПДКвр - 0.001 мг/дм3.

Висмут

Естественными источниками поступления висмута в природные воды являются

процессы выщелачивания висмутсодержащих минералов. Источником поступления в

природные воды могут быть также сточные воды фармацевтических и парфюмерных

производств, некоторых предприятий стекольной промышленности.

В незагрязненных поверхностных водах содержится в субмикрограммовых

концентрациях. Наиболее высокая концентрация обнаружена в подземных водах и

составляет 20 мкг/дм3, в морских водах - 0.02 мкг/дм3. ПДКв составляет 0.1

мг/дм3

Железо

Главными источниками соединений железа в поверхностных водах являются

процессы химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их

механическим разрушением и растворением. В процессе взаимодействия с

содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами

образуется сложный комплекс соединений железа, находящихся в воде в

растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Значительные количества

железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий

металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной

промышленности и с сельскохозяйственными стоками.

Фазовые равновесия зависят от химического состава вод, рН, Eh и в

некоторой степени от температуры. В рутинном анализе во взвешенную форму

выделяют частицы с размером более 0.45 мк. Она представляет собой

преимущественно железосодержащие минералы, гидрат оксида железа и

соединения железа, сорбированные на взвесях. Истинно растворенную и

коллоидную форму обычно рассматривают совместно. Растворенное железо

представлено соединениями, находящимися в ионной форме, в виде

гидроксокомплекса и комплексов с растворенными неорганическими и

органическими веществами природных вод. В ионной форме мигрирует главным

образом Fe(II), а Fe(III) в отсутствие комплексообразующих веществне может

в значительных количествах находиться в растворенном состоянии.

Железо обнаруживается в основном в водах с низкими значениями Eh.

В результате химического и биохимического (при участии железобактерий)

окисления Fe(II) переходит в Fe(III), который, гидролизуясь, выпадает в

осадок в виде Fe(OH)3. Как для Fе(II), так и для Fe(III) характерна

склонность к образованию гидроксокомплексов типа [Fe(OH)2]+, [Fe2(OH)2]4+,

[Fe(OH)3]+, [Fe2(OH)3]3+, [Fe(OH)3]- и других, сосуществующих в растворе в

разных концентрациях в зависимости от рН и в целом определяющих состояние

системы железо-гидроксил. Основной формой нахождения Fe(III) в

поверхностных водах являются комплексные соединения его с растворенными

неорганическими и органическими соединениями, главным образом гумусовыми

веществами. При рН = 8.0 основной формой является Fe(OH)3 .Коллоидная форма

железа наименее изучена, она представляет собой гидрат оксида железа

Fe(OH)3 и комплексы с органическими веществами.

Содержание железа в поверхностных водах суши составляет десятые доли

миллиграмма, вблизи болот - единицы миллиграммов. Повышенное содержание

железа наблюдается в болотных водах, в которых оно находится в виде

комплексов с солями гуминовых кислот - гуматами. Наибольшие концентрации

железа (до нескольких десятков и сотен миллиграммов в 1 дм3) наблюдаются в

подземных водах с низкими значениями рН.

Являясь биологически активным элементом, железо в определенной степени

влияет на интенсивность развития фитопланктона и качественный состав

микрофлоры в водоеме.

Концентрация железа подвержена заметным сезонным колебаниям. Обычно в

водоемах с высокой биологической продуктивностью в период летней и зимней

стагнации заметно увеличение концентрации железа в придонных слоях воды.

Осенне-весеннее перемешивание водных масс (гомотермия) сопровождается

окислением Fe(II) в Fе(III) и выпадением последнего в виде Fe(OH)3.

Содержание железа в воде выше 1-2 мг Fe/л значительно ухудшает

органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает

воду малопригодной для использования в технических целях. ПДКв железа

составляет 0.3 мг Fe/дм3 (лимитирующий показатель вредности —

органолептический), ПДКвр для железа - 0.1 мг/дм3

Кадмий

В природные воды поступает при выщелачивании почв, полиметаллических и

медных руд, в результате разложения водных организмов, способных его

накапливать. Соединения кадмия выносятся в поверхностные воды со сточными

водами свинцово-цинковых заводов, рудообогатительных фабрик, ряда

химических предприятий (производство серной кислоты), гальванического

производства, а также с шахтными водами. Понижение концентрации

растворенных соединений кадмия происходит за счет процессов сорбции,

выпадения в осадок гидроксида и карбоната кадмия и потребления их водными

организмами.

Растворенные формы кадмия в природных водах представляют собой главным

образом минеральные и органо-минеральные комплексы. Основной взвешенной

формой кадмия являются его сорбированные соединения. Значительная часть

кадмия может мигрировать в составе клеток гидробионтов.

В речных незагрязненных и слабозагрязненных водах кадмий содержится в

субмикрограммовых концентрациях, в загрязненных и сточных водах

концентрация кадмия может достигать десятков микрограммов в 1 дм3.

Соединения кадмия играют важную роль в процессе жизнедеятельности

животных и человека. В повышенных концентрациях токсичен, особенно в

сочетании с другими токсичными веществами.

ПДКв составляет 0.001 мг/дм3, ПДКвр — 0.0005 мг/дм3 (лимитирующий

признак вредности — токсикологический).

Кобальт

В природные воды соединения кобальта попадают в результате процессов

выщелачивания их из медноколчедановых и других руд, из почв при разложении

организмов и растений, а также со сточными водами металлургических,

металлообрабатывающих и химических заводов. Некоторые количества кобальта

поступают из почв в результате разложения растительных и животных

организмов.

Соединения кобальта в природных водах находятся в растворенном и

взвешенном состоянии, количественное соотношение между которыми

определяется химическим составом воды, температурой и значениями рН.

Растворенные формы представлены в основном комплексными соединениями, в

т.ч. с органическими веществами природных вод. Соединения двухвалентного

кобальта наиболее характерны для поверхностных вод. В присутствии

окислителей возможно существование в заметных концентрациях трехвалентного

кобальта.

Кобальт относится к числу биологически активных элементов и всегда

содержится в организме животных и в растениях. С недостаточным содержанием

его в почвах связано недостаточное содержание кобальта в растениях, что

способствует развитию малокровия у животных (таежно-лесная нечерноземная

зона). Входя в состав витамина В12, кобальт весьма активно влияет на

поступление азотистых веществ, увеличение содержания хлорофилла и

аскорбиновой кислоты, активизирует биосинтез и повышает содержание

белкового азота в растениях. Вместе с тем повышенные концентрации

соединений кобальта являются токсичными.

В речных незагрязненных и слабозагрязненных водах его содержание

колеблется от десятых до тысячных долей миллиграмма в 1 дм3, среднее

содержание в морской воде 0.5 мкг/дм3. ПДКв составляет 0.1 мг/дм3, ПДКвр

0.01 мг/дм3.

Марганец

В поверхностные воды марганец поступает в результате выщелачивания

железомарганцевых руд и других минералов, содержащих марганец (пиролюзит,

псиломелан, браунит, манганит, черная охра). Значительные количества

марганца поступают в процессе разложения водных животных и растительных

организмов, особенно сине-зеленых, диатомовых водорослей и высших водных

растений. Соединения марганца выносятся в водоемы со сточными водами

марганцевых обогатительных фабрик, металлургических заводов, предприятий

химической промышленности и с шахтными водами.

Понижение концентрации ионов марганца в природных водах происходит в

результате окисления Mn(II) до MnO2 и других высоковалентных оксидов,

выпадающих в осадок. Основные параметры, определяющие реакцию окисления, -

концентрация растворенного кислорода, величина рН и температура.

Концентрация растворенных соединений марганца понижается вследствие

утилизации их водорослями.

Главная форма миграции соединений марганца в поверхностных водах -

взвеси, состав которых определяется в свою очередь составом пород,

дренируемых водами, а также коллоидные гидроксиды тяжелых металлов и

сорбированные соединения марганца. Существенное значение в миграции

марганца в растворенной и коллоидной формах имеют органические вещества и

процессы комплексообразования марганца с неорганическими и органическими

лигандами. Mn(II) образует растворимые комплексы с бикарбонатами и

сульфатами. Комплексы марганца с ионом хлора встречаются редко. Комплексные

соединения Mn(II) с органическими веществами обычно менее прочны, чем с

другими переходными металлами. К ним относятся соединения с аминами,

органическими кислотами, аминокислотами и гумусовыми веществами. Mn(III) в

повышенных концентрациях может находиться в растворенном состоянии только в

присутствиии сильных комплексообразователей, Mn(YII) в природных водах не

встречается.

В речных водах содержание марганца колеблется обычно от 1 до 160

мкг/дм3, среднее содержание в морских водах составляет 2 мкг/дм3, в

подземных - n.102 - n.103 мкг/дм3.

Концентрация марганца в поверхностных водах подвержена сезонным

колебаниям.

Факторами, определяющими изменения концентраций марганца, являются

соотношение между поверхностным и подземным стоком, интенсивность

потребления его при фотосинтезе, разложение фитопланктона, микроорганизмов

и высшей водной растительности, а также процессы осаждения его на дно

водных объектов.

Роль марганца в жизни высших растений и водорослей водоемов весьма

велика. Марганец способствует утилизации CO2 растениями, чем повышает

интенсивность фотосинтеза, участвует в процессах восстановления нитратов и

ассимиляции азота растениями. Марганец способствует переходу активного

Fe(II) в Fe(III), что предохраняет клетку от отравления, ускоряет рост

Страницы: 1, 2