Введение
Проблема загрязнения окружающей среды свинцом и его соединениями является для России наиболее острой и опасной. Свинец поставляет
цветная металлургия, причем 94% этого металла выбрасывается в атмосферу 5 предприятиями. Это Среднеуральский медеплавильный завод, АО
«Святогор» — Красноуральский медеплавильный завод, Кировоградский медеплавильный комбинат, АО «Динополиметалл», завод «Электроцинк».
Как видим, главные отравители воздуха свинцом находятся на территории Свердловской области и привносят в атмосферу России 68,7% всех
свинцовых выбросов.
Однако основным источником загрязнения атмосферного воздуха свинцом в РФ является автотранспорт, использующий свинецсодержащий
бензин. Ежегодно автомобильный парк выбрасывает в атмосферу 10 млрд. абсолютно смертельных доз свинца или 250 килотонн металла в
весовых единицах. Так, общее количество свинца, выбрасываемое в воздух в результате сгорания топлива в двигателях, в 1997 году составило 301
килотонну, или примерно две – три смертельные дозы на человека в год.
Немалую роль в загрязнении свинцом играют отработанные аккумуляторы, отравляющие почву и воду соединениями свинца.
Столь масштабное загрязнение окружающей среды подтверждается следующим фактом: за год воды рек выносят 17 – 18 тыс. т. свинца, что
примерно в 200 раз меньше количества выплавляемого металла.
Свинец влияет на нервную систему человека, что приводит к снижению интеллекта, вызывает изменение физической активности, нарушение
координации слуха, воздействует на сердечно-сосудистую систему, приводя к заболеваниям сердца. Это оказывает негативное влияние на
состояние здоровья населения, в первую очередь детей, которые наиболее восприимчивы к свинцовым отравлениям.
В России постепенно увеличивается количество людей, имеющих профессиональный контакт со свинцом. Случаи хронической свинцовой
интоксикации зафиксированы в 14 отраслях промышленности.
Среди видов профессиональной интоксикации свинцовая занимает первое место, причем существует тенденция к ее увеличению. Среди
рабочих, пострадавших от воздействия свинца, около 40% составляют женщины. Для них свинец представляет особую опасность, так как этот
элемент обладает способностью проникать через плаценту и накапливаться в грудном молоке. Как правило, наиболее высокая концентрация свинца
в атмосферном воздухе наблюдается в зимний период, что связано с дополнительными выбросами в атмосферу продуктов сжигания топлива.
Неблагоприятные метеорологические условия в этот период года также способствуют накоплению свинца в нижних слоях атмосферы.
В нашем городе эта тема наиболее актуальна, так как автомобильный парк города с каждым годом увеличивается, следовательно,
увеличивается и количество свинца в окружающем воздухе и почве.
Цель работы — изучить основные источники загрязнения окружающей среды свинцом и влияние данного элемента на живую природу.
Перед собой я поставила следующие задачи:
1) Рассмотреть накопление свинца в природе как загрязнителя окружающей среды.
2) Изучить некоторые продукты сгорания бензинов и их влияние на здоровье человека.
3) Определить роль химического источника тока в технике и экологии.
4) Освоить методику определения оксида углерода (II) в выхлопных газах автомобилей с помощью газоанализатора «Infralit 2 T».
5) Сформулировать рекомендации по защите окружающей среды от вредного влияния ионов свинца.
Свинец (82 207,2 Pb)
Распространение в природе
Почвы
1 – 10 мг/кг
Поверхностные воды
1 – 60 мкг/л
Морская вода
0,01 – 0,05 мкг/л
Атмосфера
0,0006 мкг/м3
Физические свойства
Свинец — пластичный, мягкий металл. Температура плавления +327,4 0С, температура кипения +1725 0С, плотность — 11,34 г/см3, цвет —
синевато-серый. Хорошо поддается литью, ковке, пайке и прокатке.
Химические свойства
На воздухе свинец быстро покрывается тонким слоем оксида, защищающего его от дальнейшего окисления. Вода сама по себе не
взаимодействует со свинцом, но в присутствии воздуха свинец постепенно разрушается водой с образованием гидроксида свинца (II):
2Pb+O2 +2H2O = 2Pb(OH)2
Однако при соприкосновении с жесткой водой свинец покрывается защитной пленкой нерастворимых солей (главным образом сульфата и
основного карбоната свинца), препятствующей дальнейшему воздействию воды и образованию гидроксида. При нагревании свинец
взаимодействует с большинством неметаллов:
Pb + Cl2 = t = PbCl2
Также при высокой температуре свинец взаимодействует с водными растворами щелочей:
Pb0 + 4KOH + 2H2O = K4[Pb+2(OH)6] + H2
Таблица 1
Растворимость свинца в некоторых веществах
Pb
HCl
разб.
H2SO4
разб.
H2SO4
концентр.
HNO3
CH3COOH
Щелочи
Почти не
растворяется
Интенсивно
растворяется
Pb + 2H2SO4 = PbSO4 +
2H2O + SO2
Растворяется
легко
3Pb + 8HNO3 =
3Pb(NO3)2 +
2NO+ 4H2O
Сравнительно легко растворяется Pb +
2CH3COOH = Pb(CH3COO)2 + H2
Растворяется, но с
небольшой скоростью
Pb + 4KOH + 2H2O = K4
[Pb(OH)6] + H2
Для свинца характерны степени окисления +2 и +4. Устойчивы и многочисленны соединения со степенью окисления свинца +2. Перевод Pb(II) в
Pb(IV) возможен лишь при электролитическом окислении или под действием наиболее сильных окислителей (Cl2, белильная известь и др.) при
нагревании в щелочной среде. Например:
Pb(CH3COO)2 + Cl2 + 4KOH = PbO2 + 2KCl + 3KCH3COO + 2H2O
Соединения свинца (IV) легко переходят в соединения свинца (II), следовательно, соединения свинца (IV) являются сильными окислителями.
Таблица 2
Некоторые соединения свинца
Формула
PbO
Pb(OH)2
PbCl2
PbI2
PbO2
Получение
Нагревание расплавленного Pb
на воздухе
Действие на
растворимые соли
Pb(II)
Действие HCl или
раствор. хлоридами на
растворы солей Pb(II)
Выпадает из
растворов солей
Pb(II)
Действие сильных
окислителей на оксид или
соли Pb(II)
Примнение
Аккумулятор, производство
глазури, олиф, хрусталя,
получение др. соединений Pb
Получение
свинцовых белил
Получение др.
соединений свинца
Окислитель в химической
промышленности
Формула
Pb(CH3COO)2
PbSO4
PbS
Pb(C2H5)4
Получение
Растворение Pb в уксусной кислоте
H2SO4 или растворимый
сульфат + соль Pb(II)
Действие сероводорода
на соли Pb(II)
Взаимодействие Na4Pb с
монохлорэтаном
Применение
Обнаружение H2S, крашение тканей,
получение др. соединений Pb
Получение др. соединений Pb
Обнаружение Pb
Антидетонатор
Все растворимые соединения свинца ядовиты. Соли не существующей в свободном состоянии свинцовой кислоты H2PbO3, называются
плюмбатами. Например, при сплавлении диоксида свинца с оксидом кальция образуется плюмбат кальция CaPbO3:
CaO + PbO2 = CaPbO3
При сплавлении Pb(OH)2 с сухими щелочами получаются соли, называемые плюмбитами:
Pb(OH)2 + 2NaOH = Na2PbO2 + 2H2O
Применение
Легкоплавкий и удобный в переработке свинец широко применяется в наши дни. Из свинца изготавливают оболочки кабелей, электроды
аккумуляторов, аноды, используемые при хромировании, им покрывают изнутри сосуды, предназначенные для хранения серной кислоты, также
изготовляют змеевики холодильников и другие ответственные части аппаратуры. Свинец идет на изготовление боеприпасов и на выделку дроби. Он
входит в состав многих сплавов, например сплавов для подшипников, типографского металла. Свинец хорошо поглощает рентгеновское и
радиоактивное излучение, и его используют для защиты от излучения при работе с радиоактивными веществами. Применяют для получения
тетраэтилсвинца (ТЭС) и других соединений свинца.
Источники загрязнения окружающей среды свинцом
Получение свинца
1) Восстановительный обжиг. Обогащенный флотацией галенит обжигают на воздухе для удаления серы, и образующийся оксид свинца (II)
восстанавливают коксом или чаще — монооксидом углерода в шахтных печах:
2PbS+3O2 = 2PbO+2SO2
PbO + CO = Pb + CO2
В результате получают черновой свинец, из которого выделяют медь, серебро, железо, олово, мышьяк и сурьму; висмут остается вместе со
свинцом. Особо чистый свинец получают электролитическим рафинированием с использованием фторосиликатного электролита.
2) Окислительный обжиг. Особенно чистую руду PbS подвергают частичному окислению до PbO, а затем смесь прокаливают:
PbS + 2PbO = 3Pb + SO2
3) Из солей свинца с помощью электролиза.
4) Взаимодействием солей свинца с цинком:
Pb(NO3)2 + Zn = Zn(NO3)2 + Pb
или восстановлением оксида свинца (II) током водорода:
PbO + H2 = Pb + H2O.
Загрязнение окружающей среды в процессе получения свинца
При производстве свинца и его сплавов в атмосферу выбрасывается значительное количество свинцовой пыли. Свинец, содержащийся в этой
пыли, вовлекается в биологический круговорот, негативно воздействуя при этом на все живое.
Несомненно, огромный вклад в загрязнение окружающей среды свинцом вносят химические источники тока.
Аккумулятор — устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования.
Рассмотрим принцип действия свинцового (кислотного) аккумулятора.
Готовый к употреблению свинцовый аккумулятор состоит из решетчатых свинцовых пластин, одни из которых заполнены диоксидом свинца, а
другие — металлическим губчатым свинцом. Пластины погружены в 35 – 40% раствор H2SO4; при этой концентрации удельная электрическая
проводимость раствора серной кислоты максимальна.
При работе аккумулятора — при его разряде — в нем протекает окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой металлический
свинец окисляется:
Pb+SO42- = PbSO4 +2e-,
а диоксид свинца восстанавливается:
PbO2 +SO42- + 4H+ + 2e- = PbSO4 + 2H2O.
Электроны, отдаваемые атомами металлического свинца при окислении, принимаются PbO2 при восстановлении; электроны передаются от
одного электрода к другому по внешней цепи.
Таким образом, металлический свинец служит в свинцовом аккумуляторе анодом и заряжен отрицательно, а PbO2 служит катодом и заряжен
положительно.
Во внутренней цепи (в растворе H2SO4) при работе аккумулятора происходит перенос ионов. Ионы SО42- движутся к аноду, а ионы Н+ — к
катоду. Направление этого движения обусловлено электрическим полем, возникающим в результате протекания электродных процессов: у анода
расходуются анионы, а у катода — катионы. В итоге раствор остается электронейтральным. Если сложить уравнения, отвечающие окислению свинца
и восстановлению PbO2, то получится суммарное уравнение реакции, протекающей в свинцовом аккумуляторе при его работе (разряде):
Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42- = 2PbSO4 + 2H2O.
ЭДС заряженного свинцового аккумулятора равна 2 В. По мере разряда аккумулятора материалы его катода (PbO2) и анода (Pb) расходуются.
Расходуется и серная кислота. При этом напряжение на зажимах аккумулятора падает. Когда оно становится меньше значения, допускаемого
условиями эксплуатации, аккумулятор вновь заряжают. Для зарядки аккумулятор подключают к внешнему источнику тока. При этом ток протекает
через аккумулятор в направлении, обратном тому, в котором он проходил при разряде аккумулятора. В результате этого электрохимические
процессы на электродах «обращаются». На свинцовом электроде теперь происходит процесс восстановления:
PbSO4 + 2e- = Pb + SO42-,
т.е. этот электрод становится катодом.
На электроде из PbO2 при зарядке идет процесс окисления:
PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e-,
следовательно, этот электрод является теперь анодом. Ионы в растворе движутся в направлениях, обратных тем, в которых они
перемещались при работе аккумулятора. Складывая два последних уравнения, получим уравнение реакции, протекающей при зарядке аккумулятора:
2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42-.
Нетрудно заметить, что этот процесс противоположен тому, который протекает при работе аккумулятора; при зарядке аккумулятора в нем
вновь получаются вещества, необходимые для его работы.
Свинцовый аккумулятор используется как автономный источник электрической энергии, главным образом применяется в транспорте.
Свинцовый аккумулятор — загрязнитель окружающей среды
Опасности для человека, окружающей среды возникают преимущественно на этапе утилизации отработавших аккумуляторов. По-прежнему
много батарей после использования выбрасывается в мусоропроводы. По экспертным оценкам, на свалках, транспортных площадках и в других
местах на всей территории России в настоящее время находится до 1 млн. т. свинца в отработавших свой срок аккумуляторах. При существующем
положении с их переработкой эта величина возрастает на 50 – 60 тыс. т. ежегодно. На свалках или установках для компостирования аккумуляторы
разлагаются, при этом в почву и подземные воды попадает большое количество свинца. При рециклинге также происходит загрязнение окружающей
среды, особенно пылью, содержащей свинец. При изготовлении свинцовых аккумуляторов образуется значительное количество пылевидных частиц,
содержащих соединения свинца. Таким образом, свинцовые аккумуляторы вносят немалый вклад в загрязнение окружающей среды.
Помимо свинцового широко применяются и многие другие виды аккумуляторов. В среднем на каждый квадратный метр приходится по одному
аккумулятору; очевиден процесс массового загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, концентрированными электролитами и другими
вредными химическими соединениями.
Выбросы автотранспорта — основной источник загрязнения окружающей среды ионами свинца
Без сомнения, наиболее важным источником загрязнения в Свердловской области является автомобильный транспорт, использующий
этилированный бензин. Численность автомобильного парка Свердловской области увеличилась в 1997 году более чем на 5% и превысила 1 млн.
единиц, при этом опережающими темпами растет число легковых автомашин (на 10 – 12% в год). В Екатеринбурге, Каменске-Уральском,
Первоуральске, Верхней Пышме, Нижнем Тагиле, Березовском выбросы автотранспортных средств составляют 30 – 70% общего объема выбросов
загрязняющих веществ в атмосферу.
Автотранспорт вносит значительный вклад в загрязнение атмосферы свинцом.
Таблица 3
Выбросы некоторых загрязняющих веществ автомобильного транспорта по городам области в 1997 году (в тоннах)
Город
СО
Свинец
Город
СО
Свинец
Алапаевск
1846
0,3
Красноуральск
984,8
0,2
Асбест
5228,8
4,3
Лесной
1042,6
0,2
Верхняя Пышма
2427,4
1,8
Нижний Тагил
18084,1
16,1
Верхняя Салда
1598,6
0,2
Нижняя Тура
1202,5
0,6
Екатеринбург
66063,1
128,4
Первоуральск
6391
4,8
Ирбит
2550,7
0,3
Полевской
2264,1
2,1
Качканар
2212,6
0,6
Ревда
1880,9
1,3
Кировоград
1365,6
0,4
Серов
2680,3
1,9
Краснотурьинск
3100,6
1
Тавда
1790,3
0,9
Самое большое количество свинца и окиси углерода выбрасывается автомобилями городов Екатеринбург, Нижний Тагил и Первоуральск.
Наблюдается тенденция роста уровня загрязнения атмосферного воздуха свинцом в крупных городах области. На передвижные источники
загрязнения приходится свыше 70% суммарных выбросов свинца. Высоким остается уровень загрязнения воздушного бассейна городов диоксидом
азота, формальдегидом, оксидом углерода. В целом область значительно загрязнена свинцом. Общая площадь сильно загрязненных земель
составляет более 68 тыс. га. Очевиден стабильный вклад автотранспорта в загрязнение свинцом окружающей среды городов Свердловской
области. Так каким же образом свинец попадает в двигатели внутреннего сгорания и рассеивается автомобилями вдоль автомагистралей?
Получение бензинов при крекинге нефтепродуктов
Основным процессом переработки нефти является фракционная перегонка — термическое разделение нефти на составные части (фракции).
Таблица 4
Основные фракции нефти
Название
Состав
Температура
получения
Температура
кипения
Применение
Бензин
От С5Н12 до
С11Н24
40 – 200 0С
Не выше
205 0С
Топливо, растворитель каучука, получение синтез-газа, химчистка
Лигроин
От С8Н18 до
С14Н30
150 – 250 0С
120 – 240 0С
Топливо для дизельных двигателей
Керосин
От С12Н26 до
С18Н38
180 – 240 0С
180 – 320 0С
Горючее для тракторных двигателей, пропитка кож, освещение,
авиация
Газойль
От С13Н28 до
С20Н42
240 – 320 0С
270 – 410 0С
Дизельное, котельное топливо
В результате отгона фракций остается мазут.
От прямой перегонки нефти отличают ее крекинг, т.е. термическое или каталитическое расщепление высших углеводородов (УВ) с
образованием соединений меньшей молекулярной массы. Таким способом из высококипящих фракций нефти дополнительно получают наиболее
ценные низкокипящие фракции — главным образом моторные бензины, т.е. целевым продуктом крекинга является бензиновая фракция с высоким
октановым числом. Процесс крекинга происходит с разрывом углеродных цепей и образованием более простых предельных и непредельных УВ,
например:
C16H34 = C8H18 + C8H16.
Образовавшиеся вещества могут разлагаться далее:
C8H18 = C4H10 + C4H8; C4H10 = C2H6 + C2H4.
Различают два основных вида крекинга.
Таблица 5
Термический и каталитический крекинг
Термический крекинг
Каталитический крекинг
Расщепление молекул УВ протекает при
сравнительно высокой температуре (470 –
5500С). Процесс протекает медленно,
образуются УВ с неразветвленной цепью
атомов углерода.
Расщепление молекул УВ протекает в
присутствии катализаторов и при более
низкой температуре (450 – 5000С)
Процесс протекает значительно быстрее,
при этом происходит не только
расщепление молекул УВ, но и их
изомеризация.
В бензине, полученном в процессе
термического крекинга, наряду с
предельными содержится много
непредельных УВ. Поэтому этот бензин
обладает большей детонационной
стойкостью, чем бензин прямой гонки.
Бензин каталитического крекинга обладает
еще большей детонационной стойкостью,
так как в нем содержатся УВ с
разветвленной цепью углеродных атомов.
Непредельные УВ, содержащиеся в
бензине, легко окисляются и
полимеризуются. Поэтому этот бензин
менее устойчив при хранении. При его
сгорании могут засориться различные
части двигателя. Для устранения этого
вредного действия к такому бензину
добавляют антиокислители.
Содержание непредельных УВ меньше,
поэтому процессы окисления и
полимеризации не протекают. Такой
бензин более устойчив при хранении.
Состав бензина
Бензин, полученный в результате перегонки нефти, состоит в основном из УВ (предельных 25 – 61%, непредельных 13 – 45%, нафтеновых 9 –
71%, ароматических 4 – 16%). При полном его сгорании образуются углекислый газ, вода, и выделяется тепло. Для одного из компонентов бензинов
— октана — эта реакция выглядит следующим образом:
C8H18 + 12,5O2 + 47N2 = 8CO2 + 9H2O + 47N2 + 5062 kДж/моль.
В состав бензина могут входить примеси: серо-азот и кислородсодержащие соединения. Большая часть этих соединений удаляется из бензина
при его очистке.
Октановое число
Автомобильный бензин представляет собой горючее с низкими детонационными характеристиками. Детонацией называют такой характер
горения, при котором воспламенение горючей смеси происходит в нескольких точках цилиндра или по всему объему сразу. При этом возникают очень
высокие пики давления, и двигатель может быть поврежден. Детонационные характеристики количественно определяются так называемым
октановым числом, которое считается равным нулю для н-гептана, весьма подверженного детонации, и равным 100 для изооктана (2,2,4-3
метилпентан) — углеводорода, стойкого к детонации. Если конкретное топливо и смесь н-гептана с изооктаном имеют одинаковые детонационные
свойства, то содержание последнего (в процентах к общему объему) определяет октановое число рассматриваемого топлива. Например, бензин с
октановым числом 76 детонирует так же, как смесь, состоящая из 24% н-гептана и 76% изооктана. Чем выше октановое число, тем лучше
эксплуатационные качества бензина. Октановое число в основном увеличивают с помощью тетраэтилсвинца (ТЭС). Механизм антидетонационного
действия алкилов свинца до конца не установлен. Очевидно, тетраэтилсвинец поступает в цилиндр в виде паров вместе с топливной смесью и
вследствие возрастания температуры распадается с образованием частиц твердого оксида свинца. Эти частицы блокируют активные атомы
кислорода, которые инициируют реакцию, приводящую к взрыву. Дибром- и дихлорэтаны действуют как раскислители и, вступая во взаимодействие с
оксидом свинца, образуют летучий хлорбромид свинца, выносящийся из цилиндров отработавшими газами.
Недостатки применения ТЭС — негативное действие на всю биосферу, более быстрый износ двигателя и невозможность применения
каталитической системы очистки отработавших газов вследствие ее отравления антидетонатором. Вот почему, несмотря на все достоинства ТЭС,
применение его нежелательно, как нежелательно и применение самого бензина, потому что выхлопные газы, образующиеся в результате сгорания
топлива, оказывают негативное влияние на всю биосферу Земли.
Воздействие отработавших газов автомобиля на живые организмы сводится к следующему:
· Максимальные энергетические показатели двигателя достигаются в условиях избытка топлива. Однако при этом из-за недостатка кислорода
часть УВ бензина не окисляется до конца, что приводит к образованию элементного углерода (сажи) и оксида углерода (II), оказывающего
вредное воздействие на здоровье человека даже при низких концентрациях вследствие более активного по сравнению с кислородом
взаимодействия с гемоглобином крови.
· УВ, попадающие в атмосферу вследствие испарения, а также продукты неполного сгорания топлива, взаимодействуя с оксидом азота,
образуют токсичные продукты в составе смога — вредного для людей тумана, образование которого характерно для крупных городов.
· Оксид азота (II), являющийся одним из компонентов выхлопных газов, — сильный яд;
· Оксид серы (II) нарушает процессы дыхания и способствует повышению кислотности атмосферных осадков.
· Альдегиды оказывают наркотическое действие на ЦНС.
· Среди ароматических УВ наиболее опасны полициклические производные, обладающие канцерогенными свойствами, особенно 3,4-бенз(а)
пирен.
· Попадание галогенидов в атмосферу весьма опасно вследствие возможного накопления свинца в крови и тканях человека и животных, в
плодах растений, листьях деревьев, почти во всех живых организмах.
Влияние ионов свинца на живую природу
Влияние на организм человека, общий характер действия, токсическое действие свинца
В природе свинец встречается повсеместно, но жизненно необходимым он не является. За последние десятилетия уровень концентрации в
природе все более повышается вследствие антропогенных нагрузок. Главным источником, из которого свинец попадает в организм человека, служит
пища; наряду с этим важную роль играет вдыхаемый воздух, а у детей также заглатываемая ими свинецсодержащая пыль. Вдыхаемая пыль
примерно на 30 – 50% задерживается в легких, значительная ее доля всасывается током крови. Всасывание в желудочно-кишечном тракте
составляет в целом 5 – 10%, у детей — 50%. Дефицит кальция и витамина Д усиливает всасывание свинца в желудочно-кишечном тракте. В среднем
за сутки организм человека поглощает 26 – 42 мкг свинца. Это соотношение может варьировать. Около 90% общего количества свинца в
человеческом теле находится в костях, у детей — 60 – 70%. Биологический период полураспада в костях — около 10 лет. Количество свинца,
накопленного в костях, с возрастом увеличивается и в 30 – 40 лет (фаза насыщения) у лиц, по роду занятий не связанных с загрязнением свинца,
составляет 80 – 200 мг. Особую опасность представляет свинец для женщин, так как этот элемент обладает способностью проникать через плаценту
и накапливаться в грудном молоке.
Острые свинцовые отравления встречаются редко.
Таблица 6
Симптомы свинцовых отравлений
Острые отравления
Хронические отравления
Слюнотечение, рвота, кишечные колики, острая форма отказа
почек, поражение мозга (особенно у детей). В тяжелых случаях
— смерть через несколько дней.
Ощущение слабости, отсутствие аппетита, быстрая утомляемость, нервозность,
дрожь, дурнота, головная боль, нарушение функций желудка и кишечника,
бледность, черная свинцовая кайма на деснах возле зубов.
Для диагностики загрязнения организма свинцом служит анализ крови. Концентрация свинца в крови не должна превышать 15 мкг/100 мл, у
беременных и детей — 7 мкг/100 мл. Уже при концентрации свинца в крови 50 – 60 мкг/100 мл в поведении человека появляются признаки
депрессии, агрессивности, а также ухудшения общего самочувствия.
Вероятно, существует связь между свинцовым загрязнением, приобретенным человеком до рождения и/или в раннем детстве, и снижением
уровня его интеллекта, способности к обучению, нарушением двигательных процессов и поведения (гиперактивность). Наиболее выражены
изменения психоневрологического статуса у детей, проживающих вблизи аккумуляторных и металлургических заводов.
Свинец активно влияет на синтез белка, энергетический баланс клетки и ее генетический аппарат. Многие факты говорят в пользу
денатурационного механизма действия. Свинец нарушает синтез порфиринов, угнетая ряд ферментов, участвующих в их обмене. Свинец также
подавляет активность SH-содержащих ферментов, холинэстеразы в мембранах эритроцитов. Свинец вызывает заметное отклонение в липоидном
обмене: повышается содержание общего и не связанного с белками холестерина. Считают, что свинец способствует развитию атеросклероза. Не
стоит забывать, что дети более чувствительны к свинцу, чем взрослые. Одним словом, свинец — яд, действующий на все живое и вызывающий
изменения прежде всего в нервной системе, крови и сосудах.
Все соединения свинца действуют, в общем, сходно; разница в токсичности объясняется в основном неодинаковой растворимостью их в
жидкостях организма, в частности в желудочном соке; но и труднорастворимые соединения свинца подвергаются в кишечнике изменениям, в
результате чего их растворимость и всасываемость сильно повышаются. Свинцовые белила, сульфат и окись свинца токсичнее других соединений.
Влияние ионов свинца на почву и растения
Вследствие глобального загрязнения окружающей среды свинцом, он стал вездесущим компонентом любой растительной и животной пищи и
кормов. Растительные продукты в целом содержат больше свинца, чем животные.
Причина летнего листопада — высокое содержание свинца в воздухе. Но, концентрируя свинец, деревья тем самым очищают воздух. В течение
вегетативного периода одно дерево обезвреживает соединения свинца, содержащиеся в 130 л бензина. Наименее восприимчивым к свинцу
является клен, а наиболее восприимчивы орешник и ель. Сторона деревьев, обращенная к автомобильным магистралям, на 30 – 60%
«металличнее». Хвоя ели и сосны обладает свойствами хорошего фильтра по отношению к свинцу. Она его накапливает и не обменивает с
окружающей средой.
Накопление свинца интенсивно ведут грибы, мхи и лишайники и доводят его концентрацию до 64, 76 частей на миллион соответственно. А вот
более знакомые нам овес и клевер уже при концентрации свинца 50 частей на миллион начинают замедлять рост, и урожайность снижается.
Исследователи изучили процесс накопления свинца в почве. Из атмосферы свинец чаще всего в форме оксидов попадает в почву, где
постепенно растворяется, переходя в гидроксиды, карбонаты или форму катионов.
Если почва прочно связывает свинец, то это предохраняет от загрязнения ее грунтовые и питьевые воды, растительную продукцию. Но тогда
сама почва постепенно становится все более зараженной, и в какой-то момент может произойти разрушение органического вещества почвы с
выбросом свинца в почвенный раствор. В итоге такая почва окажется непригодной для сельскохозяйственного использования. Общее количество
свинца, которое может задержать метровый слой почвы на 1 гектаре, достигает 500 – 600 тонн. Такого количества свинца даже при очень сильном
загрязнении в обычной обстановке не бывает. Почвы песчаные, малогумусовые устойчивы к загрязнению; это значит, что они слабо связывают
свинец, легко отдают его растениям или пропускают через себя с фильтровыми водами.
Установлено, что в слое глубиной до 5 см свинец накапливается более интенсивно, чем медь, молибден, железо, никель и хром. И это печально,
поскольку из всего этого ряда свинец — самый ядовитый. Ученые изучали почву и растительность в районах расположения свинцово-цинкового
завода и завода по производству аккумуляторов. Свинец в почве был обнаружен в количествах, превышающих среднее раз в 40 – 50. При такой
«подкормке» растения «свинцевеют». Отмечена интересная особенность растений накапливать различное количество свинца в различных своих
частях. Например, салат и сельдерей накапливают значительно больше свинца в листьях, чем в корнях, а морковь и одуванчик — наоборот.
Также наблюдается активное накопление свинца в капусте и корнеплодах, причем именно в тех, которые повсеместно употребляются в пищу;
например, отмечают высокое содержание свинца в картофеле.
Выявили интересную особенность репчатого лука. Оказалось, что на фоновых участках он содержит свинца всего 0,07 частей на 1 млн. частей
сухого вещества. На придорожных участках его концентрация гораздо меньше, но степень возрастания этой концентрации десятикратная. Так что и у
репчатого лука «свинцовые фильтры» не вполне надежны. Но вот что особенно странно: из всех изученных растений зеленый лук и ежа сборная
оказались самыми устойчивыми к накоплению свинца; содержание свинца в них не превышало 4 частей на 1 млн.
Водное растение эйхорния, которое преимущественно произрастает в Америке, удивило ученых своим свойством жадно поглощать всяческую
«химию», в частности свинец. Эйхорния оказалась великолепным работником по очистке водоема от химических соединений, причем работает она
очень быстро. Это объясняется тем, что у эйхорнии длинные, разветвленные корни. Заметим, что, поглощая большие количества свинца, сама
эйхорния остается здоровой. Оказалось, что и после насыщения ядами эйхорния может быть полезна. Ее подвергают газификации и получают газ, по
свойствам близкий к природному. А из золы извлекают металлы: свинец, ртуть, кадмий.
Но, пожалуй, рекордсменом среди растений по стойкости к соединениям свинца являются дрожжи. Биологи утверждают, что дрожжи могут
поглощать огромные количества свинца в виде уксуснокислой соли — до 15 тысяч частей на миллион частей веса дрожжей — без всякого угнетения
обмена веществ. Может быть, именно дрожжи помогут в борьбе с загрязнением солями свинца? Хлористый и йодистый свинец угнетает брожение.
Однако повторяю, дрожжи — рекордсмен по «свинцовостойкости». Увы! Этим замечательным свойством обладают не все растения.
В ничтожном количестве свинец необходим живым организмам. Растительность суши вовлекает в биологический круговорот ежедневно 70 – 80
тыс. т. свинца. Содержание его в растениях обычно незначительно: примерно 1 – 2 тысячных долей процента от веса золы. Верхний порог
концентрации свинца для растений пока не установлен. Воды рек выносят в год 17 – 18 тыс. т. свинца, что примерно в 200 раз меньше количества
выплавляемого металла. Техногенное рассеивание свинца происходит интенсивно.
Влияние оксида углерода (II) на организм человека
СО вытесняет О2 из оксигемоглобина [ОНb] крови, образуя карбоксигемоглобин [COHb], содержание О2 может снижаться с 18 – 20% до 8%
(аноксимия), а разница между содержанием НbО в артериальной и венозной крови уменьшается с 7 – 8% до 2 – 4%. Способность вытеснять О2 из
соединения с гемоглобином объясняется гораздо более близким родством последнего с СО, чем с О2. Кроме того, в присутствии СО в крови
ухудшается способность НbО к диссоциации, а отдача О2 тканям происходит только при очень низком парциальном давлении. При острых
отравлениях, в крови в соответствии с концентрацией СО и О2 во вдыхаемом воздухе через некоторое время устанавливается равновесие:
определенный процент Нb оказывается связанным с СО, остальная часть с О2. Равновесие между концентрацией СО в крови и в воздухе
достигается в течение довольно длительного времени — тем раньше, чем больше минутный объем дыхания. Когда содержание СО во вдыхаемом
воздухе и в растворе, т.е. в жидкой части крови уменьшается, начинается отщепление СО от СОНb и обратное выделение его через легкие.
Диссоциация СОНb происходит в 3600 раз медленнее, чем НbО. СО способен оказывать непосредственное токсическое воздействие на клетки,
нарушая тканевое дыхание и уменьшая потребление тканями О2.
СО нарушает фосфорный обмен; нарушение азотистого обмена вызывает азотемию, изменение содержания белков плазмы, снижение
активности холинэстеразы крови и уровня витамина В6. Угарный газ влияет на углеводный обмен, усиливает распад гликогена в печени, нарушая
утилизацию глюкозы и повышая уровень сахара в крови. Поступление СО из легких в кровь обусловлено концентрацией СО во вдыхаемом воздухе и
длительностью ингаляции. Выделение СО происходит главным образом через дыхательные пути.
Больше всего при отравлении страдает ЦНС. При вдыхании небольшой концентрации (до 1 мг/л) наблюдаются тяжесть и ощущение
сдавливания головы, сильная боль во лбу и висках, головокружение, дрожь, жажда, учащение пульса, тошнота, рвота, повышение температуры тела
до 38 – 400С. Слабость в ногах свидетельствует о распространении действия на спинной мозг.
Способы борьбы с массовым загрязнением ионами свинца
Рекомендации по защите биосферы от вредного влияния ионов свинца
I. Совершенствование производственных технологий:
1) Изменение технологии производства свинца и его сплавов.
2) Проведение технического перевооружения аккумуляторных заводов.
3) Отказ от использования свинцовых пигментов в производстве декоративных красок, замена их ферритами, титанитами, алюминатами.
4) Внедрение передовых технологических процессов и оборудования для производства высокооктановых, не содержащих свинец, бензинов.
Возможно дополнительное оборудование автотранспортных средств с целью замены этилированного бензина альтернативными
видами топлива. Интересной альтернативой бензину представляется метиловый спирт, полностью сгорающий до углекислого газа и воды.
До недавнего времени метанол использовался главным образом для производства различных органических производных, однако в
настоящее время все более заметна его роль в производстве моторного топлива. В Германии и других странах 7 – 15% метилового спирта
добавляют к бензину с целью экономии последнего. Полная же его замена метиловым спиртом сдерживается необходимостью
конструкционных изменений в двигателе и пока недостаточными объемами промышленного выпуска подобного горючего, доступность
которого будет определяться технологическими успехами в производстве водорода из воды. Если же в качестве углеродсодержащего
компонента удастся использовать углекислый газ, избыток которого накапливается в атмосфере, то технология производства метанола
существенно удешевится.
Как топливо будущего рассматривается и гидразин, достоинства которого определяются неисчерпаемостью и дешевизной сырья: азот
из воздуха и водород из воды. К недостаткам следует отнести канцерогенность самого гидразина и выделение им аммиака при разложении.
Водородное топливо. В наши дни очень серьезно обсуждается эта проблема. Двигатель не нужно подвергать серьезным
конструкционным изменениям. Водородное топливо в 10 раз калорийнее бензина, а в атмосферу выбрасываются только пары воды. Если
оно будет применено, то, по-видимому, не раньше чем истощится природное органическое топливо, и будут созданы термоядерная и
солнечная энергетики, способные обеспечить дешевой энергией технологию разложения воды.
Автомобильное газовое топливо, топливо для автомобильных двигателей, бывает двух видов: сжиженный газ и компримированный газ.
Сжиженный газ состоит из пропана или смеси пропана с бутаном. Эти УВ, находящиеся при комнатной температуре и нормальном давлении в
газообразном состоянии, под давлением сжижаются и могут закачиваться в специальные баллоны. Сжиженный газ получают при добыче
нефти и природного газа, а также производят на нефтеперегонных заводах. Компримированный (сжатый) — природный газ метан. Ученые
всего мира расценивают ХХI век как «эпоху метана» прежде всего потому, что это экологически чистое (основными продуктами сгорания
являются углекислый газ и вода) и надежное топливо, и что особенно важно, его запасы значительно превышают запасы нефти. Имеющиеся
в России запасы природного газа позволяют сохранить достигнутый уровень его добычи в течение минимум двух столетий. Широкое
использование сжатого природного газа в качестве моторного топлива и массовое переоборудование автотранспорта города позволит
резко снизить количество вредных токсичных выбросов:
· окислов углерода в 2 – 2,5 раза;
· окислов азота в 1,3 раза;
· УВ в 1,4 раза;
· ТЭС — полное отсутствие;
· дымность отработанных газов дизельных двигателей в 8 – 10 раз.
Техническое устройство газобаллонного оборудования практически исключает возгорание автомобиля при самых невероятных
автомобильных авариях или при неумелой эксплуатации, потому что компримированный природный газ легче воздуха, а баллоны достаточно
прочны. Установка газобаллонного оборудования не приводит к потере возможности работать на бензине. Заправленный бензином бак
можно держать в резерве.
Таблица №8
Достоинства и недостатки жидкого и сжатого газа, как вида топлива для автомобильных двигателей
Газ
Достоинства
Недостатки
Природный
газ
Высокое октановое число, дешевизна, экологическая чистота
продуктов сгорания, повышение моторесурса двигателя.
Тяжелая емкость для хранения — толстостенные баллоны,
что приводит к снижению грузоподъемности автомобиля;
взрывоопасен, плохой запуск двигателя при отрицательной
температуре.
Пропан-
бутановая
смесь
Высокое октановое число, экологически чистые продукты
сгорания, повышение моторесурса двигателя, большая
теплотворная способность, находится при меньшем давлении,
система газобаллонного оборудования более надежна
При утечке газа возникает большая опасность, при
попадании на кожу вызывает обморожения, дороже
природного газа, сложность получения.
Автомобильное газовое топливо не ядовито и не загрязняет почву и подземные воды. Благодаря высокому октановому числу и
простому составу оно способный обеспечить энергией на небольшой отрезок пути и нуждающийся в регулярной подзарядке, не выдержал
конкуренции с двигателями внутреннего сгорания.
Тем не менее, мы, возможно, будем наилучшим образом подходит для карбюраторных двигателей и находит все большее применение.
Электромобиль. Первый электромобиль, использовавший энергию гальванических элементов, был создан в 1837 году. Изобретение
свинцовых аккумуляторов дало толчок электромобильному буму, но, достигнув апогея, этот бум к началу нашего века сошел почти на нет,
проиграв в соревновании с автомобилем. Аккумулятор, свидетелями нового электромобильного бума. Особенно перспективен
электромобиль — экологически чистый транспорт — в городских условиях, где загазованность воздуха максимальна, а дистанции перевозок
сравнительно невелики. Уже созданы и испытаны в реальных городских условиях электромобили, имеющие запас хода 100 – 150 км. Для
города чаще всего этого вполне достаточно.
Главная задача — создание более энергоемких аккумуляторов. Известно много перспективных разработок, среди которых наиболее
многообещающая — натрий-серный аккумулятор, способный обеспечить пробег 500 км с одной подзарядкой, которую можно проводить в
ночное время, когда нагрузка электросети минимальна.
Замена двигателя внутреннего сгорания электромотором возможна различными путями, нелегкими и длительными. К 2000 г. США
планирует иметь 8,6 млн. электромобилей. Количество кажется солидным, но если иметь в виду, что общий автопарк страны к тому времени
приблизится к 200 млн. автомобилей, то очевидно, что и к началу века электромобиль еще не будет серьезным конкурентом автомобилю.
Да, автомобиль победил электромобиль в экономическом, энергетическом и техническом соревновании, но он не выдержал
экологического «испытания». Ставить крест на автомобиле еще рано, но кажется, что пик использования бензинового двигателя внутреннего
сгорания уже позади. Постепенно будут изменяться химический состав топлива и принципы преобразования энергии. Человечество добьется
экологически чистого транспорта. Это неизбежно.
5) Переход на более современные технологии производства консервированных продуктов. Выяснилось, что одним из существенных
источников поступления свинца в организм человека являются консервированные продукты. К примеру, содержание свинца в мышцах тунца
при сушке и размалывании увеличивается в 400 раз, а после упаковки в запаянные консервные банки — в 4000 раз. Причина этого понятна:
при сушке концентрация увеличивается за счет потери влаги, а при упаковке в банки используется припой, содержащий свинец. Так, при
исследовании консервов «Мясо тушеное» после 11 – 16 лет хранения в их составе было обнаружено 19 – 28 частей на 1 млн. частей свинца.
Правда, это исключительный случай. Обычно содержание металла не превышает 2 – 3 части на 1 млн. Однако учеными установлено, что
переход свинца в продукт не связан с длительностью хранения консервов. Многие исследователи мира рекомендуют не применять при
консервировании пищевых продуктов посуду, которая содержит свинец. Эксперты Всемирной организации здравоохранения сообщают, что
молоко, обработанное фабричным путем, содержит значительно больше свинца, чем свежее коровье молоко, которое имеет концентрацию
свинца, близкое к женскому молоку.
II. Совершенствование способов очистки:
1) Создание мощностей по переработке вторичного свинцового сырья.
2) Реабилитация территорий, загрязненных свинцом. Существует несколько способов выведения свинца из пищевой цепи путем введения в
почвы некоторых веществ. Предложены специальные «антисвинцовые» препараты. Так, в Японии запатентовано средство для обработки
почв, содержащее меркапто-8-триазин, который связывает свинец и другие тяжелые металлы и выводит их из биологического круговорота. В
Германии в тех же целях предложено вносить в почву хелатные смолы. В нашей стране также ведутся широкие поиски активных химических
средств. Так, на кафедре ботаники Московского лесотехнического института получен ряд составов, включающих азотнокислый торий,
пятиокись ванадия, азотнокислый кобальт и некоторые другие соединения. Эти составы названы адаптогенами. Они помогают растениям
«приспособиться» к воздействию повышенных концентраций вредных веществ. Адаптогены уже прошли широкую проверку и показали свою
высокую эффективность.
Также отмечено благоприятное действие неорганического фосфора на жизненный цикл «освинцованных» растений.
3) Замена антидетонатора ТЭС более «чистыми» соединениями, но не уступающими по свойствам ТЭС.
Возможны несколько путей повышения октанового числа бензина без помощи тетраэтилсвинца. Один из таких путей заключается в
применении антидетонаторов, не уступающих или, по крайней мере, приближающихся по свойствам к ТЭС, но не обладающих его
отрицательными качествами.
Достойными соперниками ТЭС оказались некоторые карбонилы металлов.
Таблица 9
Реальные соперники тетраэтилсвинца
Формула
Fe(CO)5
Mn2(CO)10
Ni(CO)4
Название
Пентакарбонил железа
Декакарбонил
марганца
Тетракарбонил
никеля
Причина
невостребованности
Недостаточно устойчив. Отрицательные качества усугубляются его
превращением при горении бензина в оксид железа (III), который оседает на
стенках цилиндра и резко ускоряет износ двигателя.
Недостаточно
устойчив.
Чрезвычайно
ядовит.
4) Совершенствование автомагистралей, внедрение рациональных схем движения в черте города. Организация строгого контроля качества
работы ДВС по экологическим параметрам.
Количество автомобилей на планете растет, оно уже превысило полумиллиардный рубеж. Объем же газообразных выбросов
увеличивается чуть ли не в геометрической прогрессии, потому что загруженность дорог и особенно улиц городов автомобилями приводит к
снижению скоростей, машины часто останавливаются и трогаются с места, двигатели работают без нагрузки (холостой ход). А именно в этих
режимах наблюдается повышенное выделение в окружающую среду вредных веществ.
Таблица 10
Мероприятия по снижению загрязнения атмосферного воздуха выбросами автомобильного транспорта на 1997 – 1999 гг. по городу Нижний
Тагил
Наименование мероприятия
Сроки
выполнения
Эффект от выполнения мероприятия
Оборудование стационарных постов ГАИ приборами для контроля выбросов
выхлопных газов автотранспорта на СО.
1997 – 1999 гг.
Строительство и пуск в эксплуатацию объездной дороги Салда – Красноуральск.
1998 – 2000 гг.
Проведение на основных магистралях города проверки экологического состояния
автотранспорта, включая иногородний транспорт, с применением штрафных санкций.
1998 – 1999 гг.
Проведение операции «Чистый воздух» по контролю выбросов автотранспорта.
1998 – 1999 гг.
Снижение выбросов загрязняющих
веществ автотранспорта.
Рационализация работы светофоров.
Постоянно
Снижение загрязненности на
автомагистралях.
Замена использования этилового бензина метиловым.
1997 – 1999 гг.
Снижение выбросов свинца.
Ужесточение контроля за выходом на линию пассажирского дизельного транспорта со
старыми дизельными двигателями.
1997 – 1999 гг.
Снижение выбросов загрязняющих
веществ автотранспорта.
Заключение
В процессе работы над рефератом:
1) установлено, что в целом Свердловская область значительно загрязнена соединениями свинца, который главным образом попадает в
окружающую среду с выбросами автотранспорта;
2) рассмотрено влияние ионов свинца на всю биосферу. Свинец медленно, постепенно убивает живой организм;
3) изучена методика определения окиси углерода в выхлопных газах автомобилей. Определено канцерогенное действие оксида углерода (II) на
человеческий организм;
4) сформулированы рекомендации по предотвращению попадания свинца в окружающую среду в целях защиты биосферы от его вредного
влияния. Установлено, что самый возможный из сформулированных способов очистки — замена этилированного бензина газовым топливом;
5) доказано, что загрязнение окружающей среды свинцом происходит только в результате деятельности человека.
Остается надеяться, что здравый смысл возобладает над индустриальным азартом, и удастся остановить массовое загрязнение окружающей
среды свинцом, негативно влияющим на биохимические процессы живых организмов.
|