1.1.2 Ионный состав природных вод

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 3
Глава 1 ЛИТЕРАТУРНАЯ ЧАСТЬ............................................................................ 4
1.1Общие свойства воды ............................................................................................ 4
1.1.1 Химические свойства воды ............................................................................... 4
1.1.2 Ионный состав природных вод ......................................................................... 6
1.2 Загрязнение водных ресурсов .............................................................................. 9
Глава 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ........................................................... 13
2.1 Приборы и реактивы ........................................................................................... 13
2.2 Методика эксперимента ..................................................................................... 13
2.3 Первые результаты .............................................................................................. 14
ВЫВОДЫ ................................................................................................................... 15
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ............................................... 16
2
ВВЕДЕНИЕ
Вода – ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в
процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение
вода
имеет
в
промышленном
и
сельскохозяйственном
производстве.
Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех
растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.
Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского
хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых земель, улучшение
культурно-бытовых условий и ряд других факторов все больше усложняет
проблемы обеспечения водой. Потребности в воде огромны и ежегодно
возрастают. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам
водоснабжения составляет 3300-3500 км3. Много воды потребляют химическая
и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия.
Развитие энергетики также приводит к резкому увеличению потребности в
воде. Большая часть воды после ее использования для хозяйственно – бытовых
нужд возвращается в реки в виде сточных вод.
Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все
более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в
воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для
решения этой проблемы [1].
Основное
использование
поверхностных
вод
в
Красноярском
крае
обеспечивается за счет бассейна р. Енисей – 62,7% от общего объема.
Исследования показали, что вода большинства водных объектов, из которых
происходит ее забор, относится к 3 – 4 классу качества и оценивается как
“грязная” и “очень грязная”. Наиболее характерными загрязняющими
веществами в р. Енисей и его притоках являются фенолы, нефтепродукты,
хлорорганические соединения, соединения тяжелых металлов (Cu, Zn, Ni, Mn,
Pb, Al)и др. Повышенные максимальные концентрации по отдельным
веществам наблюдаются в черте г. Красноярска. Продолжает сохраняться
3
вторичное радиоактивное загрязнение долгоживущими радионуклидами, ранее
сбрасываемые со сточными водами Горно – химического комбината. Также
реки Енисей и Ангара в среднем и нижнем течении используются для
лесосплава. Конечными пунктами сплава являются лесоперерабатывающие
предприятия города Лесосибирска [2].
Цель работы: Изучить механизм образования, пути поступления и
возможность трансформации антропогенных загрязнений в пресноводной
системе. Рассматривается экосистема на примере реки Енисея.
Исходя из цели, были поставлены следующие задачи:
1. Поиск и изучение литературы по выбранной теме.
2. Запустить эксперимент для того, чтобы исследовать механизм
образования, поступления и трансформации органических загрязнений
в окружающей среде.
3
Глава 1 ЛИТЕРАТУРНАЯ ЧАСТЬ
1.1Общие свойства воды
1.1.1 Химические свойства воды
Вода в силу популярности её
молекул
способствует
разложению
контактирующих с ней молекул солей на ионы, но сама вода проявляет
большую устойчивость и в химически чистой воде содержится очень мало
ионов по H+ и OH-.
Вода - инертный растворитель; химически не изменяется под действием
большинства технических соединений, которые она растворяет. Это очень
важно для всех живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые
их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно
мало измененном виде. В природных условиях вода всегда содержит то или
иное количество примесей, взаимодействия не только с твердыми и жидкими
веществами, но растворяя также и газы [3].
Абсолютно чистую воду никогда и никому ещё не удавалось получить ни в
одном из её агрегатных состояний; химически чистую воду, в значительной
мере лишенную растворенных веществ, производят путем длительной и
кропотливой очистки в лабораториях или на специальных промышленных
установках.
В природных условиях вода не может сохранить “химическую чистоту”.
Постоянно соприкасаясь со всевозможными веществами, она фактически
всегда представляет собой раствор различного, зачастую очень сложного
свойства. В пресной воде содержание растворенных веществ обычно
превышает 1 г./л. От нескольких единиц до десятков граммов на литр
колеблются содержание солей в морской воде. Солевой состав морской воды в
основном на 89% слагается из хлоридов (преимущественно хлорида натрия,
калия и кальция), 10% приходится на сульфаты (натрия, калия, магния) и 1% 4
на карбонаты (натрия, кальция) и другие соли. Пресные воды содержат обычно
больше всего - до 80% карбонатов (натрия и кальция), около 13% сульфатов
(натрия, калия, магния) и 7% хлоридов (натрия и кальция).
Вода хорошо растворяет газы (особенно при низких температурах), главным
образом кислород, азот, диоксид углерода, сероводород. Количество кислорода
иногда достигает 6 мг/л. В минеральных водах типа нарзан общее содержание
газов может составлять до 0,1%. В природной воде присутствуют гумусовые
вещества - сложные органические соединения, образующиеся в результате
неполного распада остатков растительных и животных тканей, а также
соединения типа белков, сахаров, спиртов[4].
Вода обладает исключительно высокой теплоемкостью. Теплоемкость воды
принята за единицу. Способность воды накапливать большие запасы тепловой
энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на прибрежных
участках Земли в различные времена года и в различную пору суток: вода
выступает как бы регулятором температуры на всей нашей планете.
Следует отметить особое свойство воды - её высокое поверхностное
натяжение - 72,7 эрг/см2 (при 20о С). В этом отношении из всех видов
жидкостей вода уступает только ртути. Подобное свойство воды во многом
обусловлено водородными связями между отдельными молекулами H2O.
Молекулы воды отличаются большой термической устойчивостью, при
температуре выше 100о С, деструкция происходит по схеме
2H2O → 2H2 + O2 .
(1)
Вода относится к слабым электролитам
H2O = H+ + OH- ,
Kдис=
[H+][OH−]
[H2O]
= 1,8*10-16.
(2)
(3)
Вода весьма реакционно-способное вещество: может проявлять как
окислительные, так и восстановительные свойства. Так, под действием сильных
восстановителей вода проявляет окислительные свойства: на холоде окисляет
5
щелочные и щелочноземельные металлы, а при температуре накаливания железо, углерод
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2,
(4)
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2.
(5)
Под действием сильных окислителей (фтор, хлор, электрический ток) вода
проявляет восстановительные свойства
2F2+2H2O = 2H2F2+O2.
(6)
Существует три типа присоединения воды к молекулам других веществ: по
ионному, координатному и адсорбционному типу[5].
Присоединение по ионному типу происходит к оксидам щелочных,
щелочноземельных и редкоземельных металлов, а также к кислотным оксидам
CaO + H2O = Ca(OH)2,
(7)
P2O5 + 3H2O = 2H3PO4.
(8)
К ионам металлов - комплексообразователей присоединение идёт по
координатному типу
CaCl2 + 6H2O = [Ca(H2O)6]Cl2.
(9)
Полученные соединения называются аквакомплексами, а вода, вошедшая в
их состав, - кристаллизационной.
1.1.2 Ионный состав природных вод
Происходящее в почвах процессы окисления органических веществ
вызывают расход кислорода и выделение углекислоты, поэтому в воде при
фильтрации её через почву возрастает содержание углекислоты, что приводит к
обогащению природных вод карбонатами кальция, магния и железа, с
образованием растворимых в воде кислых солей типа
CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2.
(10)
Бикарбонаты присутствуют почти во всех водах в тех или иных количествах.
Большую роль в формировании ионного состава воды играют подстилающие
почву грунты, с которыми вода вступает в соприкосновение, фильтруясь и
6
растворяя некоторые минералы. Особенно интенсивно обогащают воды
осадочные породы, такие, как известняки, доломиты, мергели, гипс, каменная
соль и др. В свою очередь почва и породы обладают способностью
адсорбировать из природной воды некоторые ионы, например, Ca2+ , Mg2+,
замещая их эквивалентным количество других ионов (Na+, K+) [6].
Подпочвенными водами легче всего растворяются хлориды и сульфаты
натрия и магния, хлорид кальция. Силикатные и алюмосиликатные породы
(граниты, кварцевые породы и т.д.) почти нерастворимы в воде и содержащей
углекислоту и органические кислоты.
Наиболее распространенными в природных водах являются следующие
ионы: Cl- ,SO[pic] ,HCO[pic] ,CO[pic] ,Na+ ,Mg2+ ,Ca2+ ,H+.
Ион хлора присутствует почти во всех природных водоемах, причем его
содержание меняется в очень широких пределах. Сульфат - ион также
распространен повсеместно. Основным источником растворенных в воде
сульфатов является гипс. В подземных водах с содержанием сульфат - иона
обычно выше, чем в воде рек и озер. Из ионов щелочных металлов в природных
водоемах в наибольших количествах находится ион натрия, который является
характерным ионом сильноминерализованных вод морей и океанов.
Ионы кальция и магния в маломинерализованных водах занимают первое
место. Основным источником ионов кальция является известняки, а магния доломиты (MgCO3 ,CaCO3). Лучшая растворимость сульфатов и карбонатов
магния позволяет присутствовать ионам магния в природных водах в больших
концентрациях, чем ионов кальция [7].
Ионы водорода в природной воде обусловлены диссоциацией угольной
кислоты. Большинство природных вод имеют pH в пределах 6,5 - 8,5. Для
поверхностных вод в связи с меньшим содержанием в них углекислоты pH
обычно выше, чем для подземных.
Соединения азота в природной воде представлены ионами аммония,
нитритными, нитратными ионами за счет разложения органических веществ
7
животного и растительного происхождения. Ионы аммония, кроме того,
попадают в водоемы со сточными промышленными водами [8].
Соединения железа очень часто встречаются в природных водах, причем
переход железа в раствор может происходить под действием кислорода или
кислот. Так например, при окислении весьма распространенного в породах
пирита при действии угольной кислоты получается - карбонат железа
FeS2 + 2H2CO3 = Fe2+ + 2HCO3 + H2S + S.
(11)
Соединения кремния в природных водах могут быть в виде кремниевой
кислоты. При pH < 8 кремниевая кислота находится практически в
недиссоциированном виде; Часть кремния находится в коллоидном состоянии,
с частицами состава HSiO2 * H2O , а также в виде поликремниевой кислоты. В
природных водах присутствуют также Al3+ ,Mn2+ и другие катионы.
Помимо веществ ионного тапа природные воды содержат также газы и
органические и грубодисперсные взвеси. Наиболее распространенными в
природных водах газами являются кислород и углекислый газ. Источником
кислорода является атмосфера, углекислоты - биохимические процессы,
происходящие в глубинных слоях земной коры, углекислота из атмосферы [9].
Из органических веществ, попадающих извне, следует отметить гуминовые
вещества, вымываемые водой из гумусовых почв (торфяников, сапропелитов и
др.). Большая часть из них находится в коллоидном состоянии. В самих
водоемах органические вещества непрерывно поступают в воду в результате
отмирания различных водных организмов. При этом часть из них остается
взвешенной в воде, а другая опускается на дно, где происходит их распад.
Грубодисперсные примеси, обуславливающие мутность природных вод,
представляют собой вещества минерального и органического происхождения,
смываемые с верхнего покрова земли дождями или талыми водами во время
весенних паводков.
8
1.2 Загрязнение водных ресурсов
Загрязнение водных ресурсов – любое изменения физических, химических и
биологических свойств воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них
жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или могут
создать неудобства, делая воду данных водоемов опасной для использования,
нанося ущерб народному хозяйству, здоровью и безопасности населения [10].
Загрязнение поверхностных и подземных вод можно распределить на такие
типы:
 механическое
–
повышение
содержания
механических
примесей,
свойственное в основном поверхностным видам загрязнений;
 химическое – наличие в воде органических и неорганических веществ
токсического и нетоксического действия;
 бактериальное и биологическое – наличие в воде разнообразных
патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;
 радиоактивное – присутствие радиоактивных веществ в поверхностных
или подземных водах;
 тепловое – выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных ЭС.
Основными источниками загрязнения и засорения водоемов является
недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных
предприятий, крупных животноводческих комплексов, отходы производства
при разработке рудных ископаемых; воды шахт, рудников, обработке и сплаве
лесоматериалов; сбросы водного и железнодорожного транспорта; отходы
первичной обработки льна, пестициды и т.д. Загрязняющие вещества, попадая в
природные водоемы, приводят к качественным изменениям воды, которые в
основном проявляются в изменении физических свойств воды, в частности,
появление неприятных запахов, привкусов и т.д; в изменении химического
состава воды, в частности, появление в ней вредных веществ, в наличии
плавающих веществ на поверхности воды и откладывании их на дне водоемов.
Производственные сточные воды загрязнены в основном отходами и
выбросами
производства.
Количественный
9
и
качественный
состав
их
разнообразен и зависит от отрасли промышленности, ее технологических
процессов; их делят на две основные группы: содержащие неорганические
примеси, в т.ч. и токсические, и содержащие яды.
К первой группе относятся сточные воды содовых, сульфатных, азотнотуковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд
и т.д., в которых содержатся кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов и др.
Сточные воды этой группы в основном изменяют физические свойства воды.
Сточные воды второй группы сбрасывают нефтеперерабатывающие,
нефтехимические
заводы,
предприятия
органического
синтеза,
коксохимические и др. В стоках содержатся разные нефтепродукты, аммиак,
альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества. Вредоносное действие
сточных вод этой группы заключается главным образом в окислительных
процессах, вследствие которых уменьшается содержание в воде кислорода,
увеличивается
биохимическая
потребность
в
нем,
ухудшаются
органолептические показатели воды.
Нефть и нефтепродукты на современном этапе являются
основными
загрязнителями внутренних водоемов, вод и морей, Мирового океана. Попадая
в водоемы, они создают разные формы загрязнения: плавающую на воде
нефтяную пленку, растворенные или эмульгированные в воде. Нефтепродукты,
осевшие на дно тяжелые фракции и т.д. При этом изменяется запах, вкус,
окраска, поверхностное натяжение, вязкость воды, уменьшается кол-во
кислорода, появляются вредные органические вещества, вода приобретает
токсические свойства и представляет угрозу не только для человека. 12 г нефти
делают непригодной для употребления тонну воды [11].
Довольно вредным загрязнителем промышленных вод является фенол. Он
содержится в сточных водах многих нефтехимических предприятий. При этом
резко
снижаются
биологические
процессы
водоемов,
процесс
их
самоочищения, вода приобретает специфический запах карболки.
На жизнь населения водоемов пагубно влияют сточные воды целлюлозно –
бумажной промышленности. Окисление древесной массы сопровождается
10
поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели
икры, мальков и взрослых рыб. Волокна и другие нерастворимые вещества
засоряют воду и ухудшают ее физико-химические свойства. На рыбах и на их
корме - беспозвоночных - неблагоприятно отражаются молевые сплавы. Из
гниющей древесины и коры выделяются в воду различные дубильные
вещества. Смола и другие экстрактивные продукты разлагаются и поглощают
много кислорода, вызывая гибель рыбы, особенно молоди и икры. Кроме того,
молевые сплавы сильно засоряют реки, а топляк нередко полностью забивает
их дно, лишая рыб нерестилищ и кормовых мест.
Атомные электростанции радиоактивными отходами загрязняют реки.
Радиоактивные вещества концентрируются мельчайшими планктонными
микроорганизмами и рыбой, затем по цепи питания передаются другим
животным. Установлено, что радиоактивность планктонных обитателей в
тысячи раз выше, чем воды, в которой они живут.
Сточные воды, имеющие повышенную радиоактивность (100 кюри на 1л и
более),
подлежат
захоронению
в
подземные
бессточные
бассейны
и
специальные резервуары.
Рост населения, расширение старых и возникновение новых городов
значительно увеличили поступление бытовых стоков во внутренние водоемы.
Эти стоки стали источником загрязнения рек
и озер болезнетворными
бактериями и гельминтами. В еще большей степени загрязняют водоемы
моющие синтетические средства, широко используемые в быту. Они находят
широкое
применение также в промышленности и сельском хозяйстве.
Содержащиеся в них химические вещества, поступая со сточными водами в
реки и озера, оказывают значительное влияние на биологический и физический
режим водоемов. В результате снижается способность вод к насыщению
кислородом,
парализуется
деятельность
бактерий,
минерализующих
органические вещества [12].
Вызывает серьезное беспокойство загрязнение водоемов пестицидами и
минеральными удобрениями, которые попадают с полей вместе со струями
11
дождевой и талой воды. В результате исследований, например, доказано, что
инсектициды, содержащиеся в воде в виде суспензий растворяются в
нефтепродуктах, которыми загрязнены реки и озера. Это взаимодействие
приводит к значительному ослаблению окислительных функций водных
растений. Попадая в водоемы, пестициды накапливаются в планктоне, бентосе,
рыбе, а по цепочке питания попадают в организм человека, действуя
отрицательно как на отдельные органы, так и на организм в целом.
В связи с интенсификацией животноводства все более дают о себе знать
стоки предприятий данной отрасли сельского хозяйства.
Сточные
воды,
содержащие
растительные
волокна,
животные
и
растительные жиры, фекальную массу, остатки плодов и овощей, отходы
кожевенной
и
пивоваренных
целлюлозно-бумажной
заводов,
предприятий
промышленности,
мясо-молочной,
сахарных
и
консервной
и
кондитерской промышленности, являются причиной органических загрязнений
водоемов.
В сточных водах обычно около 60% веществ органического происхождения,
к этой же категории органических относятся биологические (бактерии, вирусы,
грибы, водоросли) загрязнения в коммунально-бытовых, медико-санитарных
водах и отходах кожевенных и шерстомойных предприятий.
Нагретые сточные воды тепловых ЭС и др. производств причиняют
“тепловое
загрязнение”,
которое
угрожает
довольно
серьезными
последствиями: в нагретой воде меньше кислорода, резко изменяется
термический режим, что отрицательно влияет на флору и фауну водоемов, при
этом
возникают
благотворные
условия
для
массового
развития
в
водохранилищах сине-зеленых водорослей - так называемого “цветения воды”.
Загрязняются реки и во время сплава, при гидроэнергетическом строительстве,
а с началом навигационного периода увеличивается загрязнение судами
речного флота.
12
Глава 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Приборы и реактивы
 Вода (р. Енисей);
 Почва (Емельяновский район);
 Опилки;
 Кора;
 Банка, 3л;
 рН – метр;
 Бюксы, 50 мл;
 Пипетки, 10 мл;
 Шприцы, 1 мл;
 Бутылка, 5 л;
 Фильтры;
 Стеклянная палочка.
2.2 Методика эксперимента
Для проведения эксперимента отбираем воду с р.Енисей в районе острова
отдыха, почву с Емельяновского района, кору хвойных деревьев и опилки. На
основе полученной воды
ставим модельные объекты, различного состава.
Спустя 7 дней измеряем контрольную точку. Раз в 14 дней отбираем воду на
полный элементный анализ и анионный состав, измеряем рН (Таблица – 1).
Таблица 1 – Состав проб
№
Состав
1
300г почвы, 200г коры, 2,5л воды
2
300г почвы, 200г опилок, 2,5л воды
3
300г почвы, 2,5л воды
4
200г коры, 2,5л воды
13
Продолжение таблицы 1
5
200г опилок, 2,5л воды
6
2,5л воды
2.3 Первые результаты
Исходная рН = 7,7, в дальнейшем значения меняются, что говорит о
прохождении окислительных процессов (Таблица – 2).
Таблица 2 – рН эксперимента
Системы
рН
рН
рН
рН
02.10.10
09.10.10
18.10.10
23.11.10
1
7, 7
4,8
5,2
5,4
2
7, 7
5,3
5,2
4,6
3
7, 7
7,5
7,7
6,1
4
7, 7
4,3
4,5
4,7
5
7, 7
4,4
4,7
4,8
6
7, 7
7,8
8,5
9,3
(0)
(7)
(16)
(52)
В дальнейшем предполагается использование:

Масс-спектрометрии;

Капиллярного электрофореза;

Потенциометрии;

ХПК;
 ВЭЖХ.
Простые системы будут усложняться введением
органических соединений.
14
тяжелых металлов,
ВЫВОДЫ
1. Изучена литература по выбранной теме.
2. Поставлен модельный эксперимент, получены первые результаты
15
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Глушкова В. Г. Экономика природопользования / В. Г. Глушкова, С. В.
Макар. – М.: Гардарики,2003. – С. 271.
2. Варфоломеев Д. В. Государственный доклад о состоянии и охране
окружающей среды в Красноярском крае за 2008 год / Д. В. Варфоломеев, И. В.
Варфоломеев. – Красноярск: Госцентр «Природа», 2009. – С. 226
3. Бернард Небел «Наука об окружающей среде» (В 2-ух томах), «МИР» М.
1993
4. Плеханова И.О. Влияние осадков сточных вод на содержание тяжелых
металлов в почве среду / И.О. Плеханова // Почвоведение. – 2001. – № 4. – С.
496 – 503.
5. «Экология, здоровье и природопользование в России» /Под.ред. Протасова
В.Ф. - М. 1995
6. Корнеева А.И. Общество и окружающая среда. - М.: Мысль, 1995. - 126 c.
7. Ферару Г.С. Современные сценарии
техногенного
воздействия на
окружающую среду / Г. С. Ферару // Экология и человек. – 2006. – № 11. – С. 3
– 8.
Ebsco
8. Guay K.H. Measurements of Cd, Cu, Pb and Zn in the lower reaches of major
Eurasian arctic rivers using trace metal clean techniques / K.H. Guay a, V. Zhulidov
// Environmental Pollution. – 2010. – № 15. – С. 24 – 30.
9.Zhizhaev A. Radiation – Chemical Situation of the Waters of the Middie Reach of
the River Yenisei. / A. Zhizhaev // Journal of Environmental, Science and
Engineering. – 2010. – № 9. – С. 7 – 13.
10. Maksimov G. Effects of 137Cs and 90Sr on the plant Lepidium sativum L.
growth peculiarities / G. Maksimov // Ekologija/ – 2007. – № 53. – C. 65 – 70
Science
16
11. Igwek J.C. Kinetics of radionuclides and heavy metals behavior in soils:
Implications for plant growth. / J.C. Igwek // African Journal of Biotechnology / –
2005. – № 13. – C. 42 – 47
12 Tykva R. Sources of environmental radionuclides and recent results in analyses of
bioaccumulation. / R. Tykva // Nukleonika / – 2004. – № 49. – C. 3 – 7
17
18