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 другаг 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;
прогнозирование поведения химических загрязнений в окружающей среде под влиянием природных и антропогенных факторов;
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.
- Введение в экологическую химию
- Глава 1
- § 1.1. Биосфера и происхождение жизни на земле
- § 1.2. Энергетический и материальный баланс биосферы
- § 1.3. Антропогенное воздействие на окружающую среду
- § 1.4. Ограниченность природных ресурсов
- § 1.5. Энергетика и экология
- 1.5.1. Тепловые электростанции
- 1.5.2. Гидроэлектростажцжи
- 1.5.3. Атомные эяею1росташщи
- 1.5.4.1. Утилизация солнечной энергии
- 1.5.4.2. Термоядерная энергетика
- 1.5A3. Энергия ветра
- 1.5.4.4. Энергия прилива
- 1.5.4.5. Геотермальная энергия
- 1.5.4.6. Другие нетрадиционные источники
- § 1.6. Экономические и социальные проблемы охраны окружающей среды
- Глава 2
- § 2.1. Мониторинг как система наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды
- § 2.2. Процессы массопереноса загрязняющих веществ
- § 2.3. Методы контроля загрязняющих веществ в объектах окружающей среды
- 2.3.1. Спектральные методы анализа
- Глава 3 круговорот веществ в биосфере
- § 3.1. Круговорот кислорода, фотосинтез
- § 3.2. Круговорот азота
- § 3.3. Круговорот фосфора и серы
- Глава 4 экохимические процессы в атмосфере
- § 4.1. Физико-химические свойства атмосферы
- § 4.2. Химические процессы в верхних слоях атмосферы
- § 4.3. Химические процессы в тропосфере с участием свободных радикалов
- § 44. Вода в атмосфере
- § 4.5. Проблемы локального и глобального загрязнений воздушной среды
- 4.5.4.1. Монооксид углерода
- 4.5.5. Тяжелые металлы
- § 4.6. Способы очистки газовых выбросов
- 4.6.1. Очистка газов от твердых частиц
- 4.6.2. Очистка от газовых примесей
- Глава 5
- § 5.1. Почвенные ресурсы
- § 5.3. Почва и вода, эрозия почв
- § 5.5. Загрязнение почв пестицидами
- § 5.6. Утилизация и переработка твердых отходов
- Глава 6
- § 6.1. Краткие сведения о гидрохимии и гидробиологии
- § 6.2. Ашропошнное эвтрофиговжниё водоемов
- § 6.3. Лигандный состав и формы существования
- § 6.4. Внутриводоемный круговорот пероксида
- § 6.5. Роль донных отложений в формировании качества водной среды
- Глава 7
- § 7.1. Виды загрязнений и каналы самоочищения водной среды
- § 7.2. Физико-химические процессы на границе раздела фаз
- § 7.3. Микробиологическое самоочищение
- § 7.4. Химическое самоочищение
- 7.4.1. Гидролиз
- 7.4.2. Фотолиз
- 7.4.3. Окисление
- § 7.6. Свободные радикалы в природных водах
- 7.6.2. Свойства радикалов Oj, он
- § 7.7. Моделирование поведения загрязняющих веществ в природных водах
- Глава 8
- § 8.1. Молекулярный кислород как окислитель. Образование и свойства металл-кислородных комплексов
- § 8.2. Механизмы активации пероксида водорода,
- § 8.3. Типовые механизмы каталитических процессов окисления с участием 02, н202
- § 8.4. Перспективы технологического использования 02 и н202 как экологически чистых окислителей
- § 8.5. Внутриклеточные окислительно-восстановительные процессы с участием 02 и н202
- Глава 9
- § 9.1. Общие сведения о структуре и функции
- § 9.2. Виды токсического воздействия загрязняющих веществ
- § 9.3. Биотесгирование в оценке загрязнения водной среды
- Глава 10
- § 10.1. Характеристики сточных вод и виды их загрязнений
- § 10.3. Особенности биохимической очистки сточных вод
- 10.3.1. Аэробные методы очистки
- 10.3.1.1. Биологические пруды
- 10.3.1.3. Биофильтры
- 10.3.3. Биохимические процессы с участием минеральных форм азота
- Глава 11
- § 11.1. Подготовка питьевой воды
- § 11.2. Применение хлора, озона и пероксида водорода в обработке воды и очистке сточных вод
- 1L2.2. Озонирование воды
- § 11.3. Методы локальной очистки сточных вод
- 11.3.3. Деструктивные методы очистки