Введение в экологическую химию

Рекомендовано

Государственным комитетом Российской Федерации

по высшему образованию

в качестве учебного пособия

для студентов химических

и химико-технологических специальностей

высших учебных заведений

МОСКВА

'ВЫСШАЯ ШКОЛА"

1994

© Ю.И. Скурлатов, Г.Г. Дука, А. Мизити, 1994

ПРЕДИСЛОВИЕ

В условиях ускоренного научно-технического развития и бурного роста промышленного производства охрана окружающей среды стала одной из важнейших проблем современности, решение которой нераз­рывно связано с охраной здоровья нынешнего и будущего поколений людей. Это вызвано тем, что по мере развития производительных сил общества, роста масштабов использования природных ресурсов проис­ходит все большее загрязнение окружающей среды отходами произ­водства, ухудшается качество среды обитания человека и других жи­вых организмов.

На современном этапе забота о сохранении природы заключается не только в разработке и соблюдении законодательств об охране Земли и ее недр, лесов и вод, атмосферного воздуха, животного и растительно­го мира, но и в познании закономерностей причинно-следственных связей между различными видами человеческой деятельности и изме­нениями, происходящими в природной среде.

Поскольку любые изменения в окружающей среде являются отра­жением изменения направленности протекающих в ней химических и химико-биологических процессов, познание закономерностей природ­ных процессов и управление уровнем воздействия на них со стороны человека служит одной из приоритетных задач химии.

Для комплексного решения задач защиты окружающей среды необходимы специалисты широкого профиля, в частности в области химии окружающей среды. Однако до начала 80-х годов подготовка таких специалистов не велась, не было ни книг, ни учебников по химии окружающей среды. Одной из причин этого является широта рассматриваемой проблемы. По словам автора книги "Химия окружаю­щей среды" Дж. Бокриса, "эта проблема столь же широка, как и сама химическая наука".

Изданная в 1983 г. монография А.Я. Сычева и др. "Каталитичес­кие реакции и охрана окружающей среды" не восполняет пробела. В связи с этим остро назрела необходимость создания учебника или учебного пособия для студентов химических специальностей по вопро­сам защиты окружающей среды, тем более что дальнейшая интенси­фикация сельского хозяйства и промышленного производства немыс­лима без прогнозирования возможных экологических последствий, связанных с химическим загрязнением окружающей среды.

3

В предлагаемой книге рассмотрены химические и химико-биологи­ческие процессы в окружающей среде, даны общие представления о состоянии среды обитания, о влиянии на нее деятельности человека и о проблемах рационального использования природных ресурсов. Эти вопросы и составляют, по сути, предмет зародившейся на стыке экологии и химии науки — экологической химии.

С позиций современных представлений физической химии, хими­ческой физики и биологической химии в книге обсуждаются влияние загрязняющих веществ на природные химико-биологические процессы, способы предотвращения попадания их в среду обитания живых организмов, изменения в биологических объектах и в биосфере в целом, происходящие в результате загрязнения окружающей среды.

Из всех сред обитания (атмосфера, почва, вода) наибольшим воздействиям со стороны человека подвержена вода. Вода — неотъем­лемая составляющая почвенных экосистем и атмосферной влаги. Загрязнения, выбрасываемые в атмосферу или вносимые в почву, рано или поздно в трансформированном или неизмененном виде поступают в водоемы. Поэтому процессам в водной среде в данной книге уделяет­ся наибольшее внимание.

Наряду с общими представлениями о химических и биологических процессах, протекающих в окружающей среде, в книге большое внимание уделяется методам очистки сточных вод и газовых выбросов. Тем самым сделана попытка в рамках единого подхода охватить широкий круг вопросов теории и практики защиты окружающей среды с позиций экологической химии.

Книга написана на базе курса лекций, прочитанного в 1985—1992 гг. студентам химического факультета Молдавского Гос­университета, а также студентам Московского высшего химического колледжа (1991 г). Широко используются материалы I, II Всесоюзных и III Международной школ по экологической химии водной среды (г. Кишинев — 1986 г., г. Ереван — 1988 г., г. Алма-Ата — 1990 г.), прове­денных по инициативе и с активным участием авторов, а таюке мате­риалы, полученные по проекту 02.03—31 "Формы и пути миграций-пестицидов и химикатов" советско-американского сотрудничества в области охраны окружающей среды.

В написании книги приняли участие: зав. лабораторией гидроэко-химических процессов Института химической физики РАН, чл.-кор. Российской Академии естественных наук, проф. д.х.н. Ю.И. Скурла-тов; зав. кафедрой промышленной и экологической химии химическо­го факультета Молдавского Госуниверситета, зав. лабораторией прик­ладной экологической химии, чл.-кор. Академии Наук республики Молдова проф., д.х.н. Г.Г. Дука; декан инженерного факультета Римского университета, зав.кафедрой санитарной и экологической инжене­рии Аурелио Мизити — известный за рубежом специалист в области инженерных методов очистки газовых приборов, водоочистки и водо-подготовки.

Авторы выражают сердечную признательность фактическим соавто­рам книги, сыгравшим решающую роль в становлении экологической химии как самостоятельной научной дисциплины и оказавшим неоце­нимую помощь при написании данного пособия, — д.х.н. Е.В. Штамм и проф., д.х.н. А.П. Цурмалю.

Авторы благодарны всем сотрудникам лаборатории гидроэкохими-ческих процессов ИХФ РАН и лаборатории прикладной экологичес-кой химии Молдавского Госуниверситета, а также сотрудникам других организаций, участвовавших в совместных исследованиях и принимав­ших активное участие в становлении экологической химии как самос­тоятельной научной дисциплины.

Одна из особенностей ситуации на сегодняшний день заключается в том, что изменения в окружающей среде опережают темпы развития методов контроля и прогнозирования ее состояния. Пока что человек лишь констатирует неблагоприятные экологические явления и не может их предотвратить. Необходим качественно новый подход к описанию состояния окружающей среды как динамической химико-биологической системы.

Научные исследования в области охраны окружающей среды должны быть направлены на снижение возможных отрицательных последствий того или иного вида хозяйственной деятельности, на разработку эффективных методов очистки газовых выбросов и сточ­ных вод, на обоснование норм допустимых воздействий на природные экосистемы.

Необходимы данные о том, как ведут себя, какие испытывают превращения, к каким последствиям приводят те или иные химичес­кие вещества, попадающие в биосферу. С констатации происходящих в природе изменений необходимо переходить к их прогнозированию и управлению качеством среды обитания. При этом традиционные методы физико-химического и биологического анализов служат подспорьем в оценке состояния и динамических характеристик при­родных экосистем.

В этой ситуации возрастает природоохранная роль химии. Связано это с необходимостью создания экологически чистых химических производств и использования достижений химии для решения проб­лем очистки сточных вод и газовых выбросов, утилизации и перера­ботки отходов, с применением методов физической химии и химичес­кой кинетики для оценки уровня загрязнений и допустимых нагрузок на природные объекты по химическим загрязняющим веществам.

Кроме того, необходимо иметь в виду, что в основе процессов жизнедеятельности, как и в основе изменения химического состава окружающей среды, лежит химический акт, представляющий собой превращение исходных веществ в продукты их трансформации. Любой химико-биологический процесс представляет собой совокупность химических актов, определяющих механизмы процесса. Соответственно для описания и управления динамически равновесным состоянием б

экосистем в условиях возрастающих масштабов человеческой деятель­ности необходимо знание химических механизмов взаимодействия между человеком, средой обитания ш отдельными экологическими подсистемами.

Биологический аспект такого взаимодействия находится в ведении химической экологии как "науки о химических взаимодействиях между живыми организмами или между живой и неживой природой" (Бар-бье). Химический аспект касается в основном качественного и коли­чественного состава химических загрязнений и да: превращений в окружающей среде. Эти вопросы находятся в комиетеищии экологичес­кой химии.

Термины "химическая экология" и ^экологическая химия" подчер­кивают взаимосвязь химии и экологии. Каждая из этих наук представ­ляет собой систему научных дисциплин. Эшлт*ш кап наука о законо­мерностях взаимосвязей и взаимодейетвни организмов и их систем друг с другом и со средой обитания трансформировалась в науку о структуре природы. Химия как наука о веществах, их строении и превращениях описывает состав и свойства компонентов природы на атомно-молекулярном уровне. Обе эти дисциплины, взаимно дополняя друг друга_г призваны создать научные основы природопользования и охраны природы, способствовать оптимизации взаимодействия челове­ка с природой.

В свете сказанного тол&тческшю химию следует определять как науку о процессах, определяющих химический состав и свойства объектов окружающей среды.

В основе экологической химии лежит рассмютревоте процессов в окружающей среде в их химическом аспекте с учетом влияния антро­погенных воздействий так на биотические, так и на абиотические компоненты природной среды:

Биотическая составляющая природной среды (флора и фауна) — биота — и окружающая ее внешняя среда находятся в динамическом экохимическом равновесии. При этом биологическими показателями полноценности среды обитания служат видовое разнообразие и био-

7

продуктивность экосистемы по сравнению с экосистемами, не подвер­женными антропогенному воздействию (воздействию со стороны чело­века).

Состояние внешней среды обитания можно оценить по совокупнос­ти физических и химических параметров. Под влиянием антропоген­ных воздействий может происходить изменение как физических харак­теристик (температура, освещенность, массоперенос), так и химическо­го состава среды.

При рассмотрении химического состава среды необходимо иметь в виду.две возможные ситуации. 1. Содержание анализируемого вещест­ва определяется равновесными физико-химическими процессами. Со­держание таких веществ в среде определяется геохимическими факто­рами и фоновым загрязнением, характерными для данного региона. 2. Содержание вещества определяется скоростью его поступления и кинетикой последующей убыли (массоперенос, трансформация, биодег­радация и т.д,). При равенстве скоростей поступления и убыли ве­щества устанавливается стационарное содержание его в системе. При этом "мгновенная" концентрация вещества в среде малоинформативна, так как в следующее "мгновение" она будет иной. В этом случае для характеристики состава среды необходимо знать кинетические пара­метры образования и превращения вещества либо осуществлять непре­рывный контроль за его содержанием.

В рамках "кинетического" рассмотрения открывается принципиаль­ная возможность прогнозирования поведения веществ в природной среде, а также последствий того или иного антропогенного воздейст­вия на состояние окружающей среды.

Экологическая химия тесно связана с другими научными дисцип­линами:

Как видно, базовыми научными дисциплинами экологической .химии являются физическая химия, химическая кинетика, аналити­ческая химия и биохимия. Включая в себя разделы этих дисциплин в свете природоохранной тематики, экологическая химия обладает и присущими ей особенностями как комплексной науки о химических процессах в окружающей среде. Она призвана описывать динамику экохимических процессов в объектах окружающей среды, а также в искусственных экосистемах, прогнозировать и регулировать экологи­ческие последствия антропогенных воздействий на природную среду.

В поле зрения экологической химии находятся такие направления исследований:

1) разработка рекомендаций по снижению уровня химического загрязнения окружающей среды наиболее опасными веществами;

2) совершенствование технологических процессов переработки сырья, утилизации отходов, очистки газовых выбросов и сточных вод;

3. прогнозирование поведения химических загрязнений в окружаю­щей среде под влиянием природных и антропогенных факторов;

4. разработка способов управления состоянием загрязнения объек­тов природной среды.

В практическом плане можно выделить три главные задачи эколо­гической химии, от решения которых зависит сохранение среды обитания.

I. Изменение существующих технологических процессов, направлен­ ное на снижение эиерго- и ресурсоемкости производств, сведение к минимуму выбросов в атмосферу и гидросферу. Речь идет о разработ­ ке новых и модификации существующих технологий с учетом требова­ ний охраны окружающей среды. Решение этой задачи достигается одновременно несколькими путями: инженерно-организационными (комплексное использование сырья, безотходное производство, водо- оборотные схемы и т.д.) и химико-технологическими (повышение селективности и оптимизация режима процессов, проведение реакций в мягких условиях, разработка новых катализаторов, замена отдельных стадий процессов на экологически более чистые и т.д.).

II. Очистка выбрасываемых в атмосферу газов и сбрасываемых в водоемы сточных вод от наиболее вредных веществ. Решение этих вопросов тесно связано с экономикой производств. Затраты на очистку отходов зависят от требуемой глубины очистки. Существует предел очистки, определяемый экономикой производства, после которого производство становится нерентабельным. Значит, необходимо увели­ чение эффективности работы очистных сооружений при сохранении, а лучше — при снижении затрат на очистку. Резервы химии здесь еще велики, а возмоисности далеко не исчерпаны. Речь идет как о локаль-

9

ной очистке выбросов отдельных цехов и предприятий, так и об очистке городских сточных вод, утилизации твердых и жидких отходов,

Ш. Оценка воздействия на окружающую среду загрязняющих веществ. Здесь возникают два аспекта: с одной стороны, проблема токсичности иоступающих в окружающую среду загрязняющих веществ, с другой — миграция и трансформация вещества под влияни­ем природных факторов. Роль экологической химии заключается в оценке скорости трансформации загрязняющих веществ в зависимости от факторов среды. Кинетические параметры могут затем использо­ваться в математических моделях для прогнозирования поведения загрязняющих веществ в объектах окружающей среды.