Производство  ->  Металлургия  | Автор: | Добавлено: 2015-05-28

Источники загрязнения русла реки Липовка тяжелыми металлами

Река Липовка, давшая название г. Липецку, имеет два истока.

Один, у поселка Сырский рудник (довольно чистый), другой недалеко от городской свалки «Венера». Жители, рабочие и служащие городов, администрация предприятий выбрасывают на свалки литий- и кадмий содержащие батареи и аккумуляторы для фотокамер, сотовых телефонов; автомобильные аккумуляторы, содержащие свинец и сурьму; разбитые лампы дневного света, которые могут содержать пары ртути; обрезки освинцованного кабеля, алюминиевых проводов, хромированные детали автомобилей, сломанные игрушки, окрашенные красками, содержащими кадмий, останки телевизоров, холодильников и других бытовых приборов, в той или иной мере содержащих тяжелые металлы. В результате районы городских свалок традиционно загрязнены отходами, содержащими ртуть, олово, свинец, никель, кадмий, хром и другие металлы. Таим образом, городская свалка «Венера» может служить источником загрязнения почвенных вод, воды и основания реки Липовка тяжелыми металлами.

Кроме того, в городской черте р. Липовка большую часть пути течет по дну Каменного лога, склоны которого непрерывно застроены гаражами, образующими практически непрерывную стену и частными домами, вплоть до традиционного места отдыха липчан ( Комсомольского пруда. Гаражные кооперативы, в свою очередь, сбрасывают на склоны лога металлические отходы, отработанные аккумуляторы, жидкие отходы, содержащие моющие средства, топливо, остатки ядовитых смесей на основе этиленгликоля, свинец с остатками этилированного бензина. По оценкам, имеющимся в литературе, металлы могут составлять до 2-3,5 % массы бытовых отходов.

Поэтому можно ожидать, что вода и подстилающий грунт русла реки Липовка будут загрязнены тяжелыми металлами, как по течению реки, так и в её истоке у Венеры. Кроме того, существует опасность возможного проникновения ядовитых отходов в водоносные слои, в том числе и в слои, из которых происходит отбор артезианской воды, как питьевой, так и минеральной.

Токсичность металлов

Токсичными металлами называют такие металлы, которые не являются, ни жизненно необходимыми, ни благотворными, но которые даже в малых дозах приводят к нарушению нормальных матаболических функций.

Международной объединенной комиссией ФАО (продовольствие) и ВОЗ (здравоохранение) по Пищевому Кодексу (Codex Alimentarius) в число наиболее опасных металлов включены восемь наиболее опасных токсичных элементов: ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, медь, олово, цинк и железо. В России в этот список также попали сурьма, никель, хром, алюминий. Причем, попали, несмотря на то, что в микроколичествах и медь и железо необходимы человеку.

Свинец. Свинец накапливается в организме, поражает кроветворную и нервную системы, желудочно-кишечный тракт и почки. Вызывает анемию, энцефалопатию, снижение умственных способностей, нефропатию и т. д.

ПДК (предельно допустимая концентрация) свинца в воде водоемов: 0,1 мг/л, в почве: 20 мг/кг воздушно-сухой почвы.

Ртуть. Ртуть поражает почки, слизистую желудочно-кишечного тракта, аккумулируется в эритроцитах. Для младенцев чрезвычайно опасна метилртуть.

ПДК в воде водоемов: 0,005 мг/л, в почве: 2,1 мг/кг воздушно-сухой почвы.

Кадмий. Кадмий накапливается в печени и почках, нарушает минеральный состав костей, поражает почки.

На наш взгляд ПДК на кадмий слишком высока (0,01 мг/л в воде питьевых и культурно-бытовых водоемов) и не соответствует его реально высокой токсичности.

Никель. В организме человека никель активирует некоторые пигменты (карбоксилазу, трипсин, КоА-синтетазу), Сам никель, по-видимому не токсичен. Токсичны его соединения, они вызывают дерматиты, болезни легких, онкозаболевания.

ПДК никеля в воде водоемов: 0,1 мг/л, в почве: 3,0 мг/кг воздушно-сухой почвы.

Хром. Хром необходим для поддержания стабильного уровня глюкозы в организме, его недостаток ведет в диабету или атеросклерозу. При постоянном контакте с соединениями хрома у человека развиваются экзема, хронические язвы, рак верхних дыхательных путей и легких. Особенно опасны соединения хрома (VI).

ПДК хрома в воде водоемов: 0,5 мг/л для Cr(III) и 0,1 мг/л для Cr(VI).

Медь. Медь нормализует обмен веществ, норма поступления в организм составляет 30 мг/кг веса в день для взрослых, 40 30 мг/кг для детей и 80 для младенцев. Недостаток меди ведет к повышению частоты сердечно-сосудистых заболеваний, анемии, нарушению клеточного метаболизма. Избыток ведет к токсикозам, повреждению почек, дефектам костей.

ПДК меди в воде водоемов хозяйственно-бытового пользования: 1,0 мг/л, в почве: 3 мг/кг.

Цинк. Цинк участвует в ряде ферментативых процессов и его, как и железо, необходимо получать с пищей. Однако избыток цинка поражает желудочно-кишечный тракт, вызывает диарею. Есть мнение, что токсичность технического цинка связана с всегда присутствующим в нем кадмием.

ПДК для цинка в воде: 1,0 мг/л, в почве: 23 мг/кг. Таким образом, нормы на содержание цинка в окружающей среде довольно высоки.

Методика эксперимента и его результаты

Для проверки предположения о загрязнении поймы реки тяжелыми металлами мы провели отбор и анализ проб воды и постилающего грунта. Отбор проб и их анализ мы проводили совместно со студентами 4-го курса «Отделения «Химия и биология» естественно-географического факультета Липецкого государственного педагогического университета Т. Н. Нейло и И. Г. Танкушиной.

Пробы воды отбирали в герметичные полиэтиленовые бутыли. После определения рН проб воды они стабилизировались азотной кислотой и анализировались на содержание растворимых форм металлов методом атомно-адсорбционной спектроскопии.

Пробы грунта отбирали непосредственно в русле реки в ноябре-январе, когда река, практически пересыхает. Отбор проб воды и грунта проводили в в четырех точках:

( в 130 м от свалки «Венера (то есть в районе одного из истоков);

( в районе 10-го микрорайона (район скопления гаражей);

( в «Комсомольском пруду» (центр города, место народного гулянья и, одновременно, сбор ливневого стока практически всей центральной части города).

Пробы грунта отбирали методом квадратов: на поверхности русла реки, которая к ноябрю пересыхает, строили квадрат размером 2х2 м и отбирали пробы на глубине 20 и 40 см в углах и центре квадрата. После определения значений рН результаты, полученные на одной глубине квадрата, усредняли, также усредняли результаты определения влажности образцов, отобранных на одной глубине квадрата. Воздушно-сухие образцы почвы перед анализом на содержание металлов перемешивали и для анализа отбирали усредненную пробу.

Грунт в местах отбора проб до глубины 40-45 см имеет «легкий» (супесь, легкий суглинок) механический состав, который довольно быстро переходит в тяжелый грунт (глину). Поэтому выбор места расположения свалки, на первый взгляд, кажется обоснованным: мощный слой глины служит естественной преградой для миграции ионов металлов в глубину к водоносным горизонтам. Однако можно выделить два тревожащих фактора:

( близость р. Липовка к свалке у истока (от свалки до реки не более чем 120-130 м) и, следовательно, возможность не только фильтрационного, но и ветрового загрязнения русла реки;

( высокую карстовую активность карбонатных пород, на которых стоит Липецк. Многие липецкие дома построены на разломах, над карстовыми пустотами. Нельзя исключать возможность образования карстового провала непосредственно под свалкой и последующего сильного загрязнения очень важных для города водоносных горизонтов.

Определение среды почвы

Потенциометрическое определение рН почвы (определение актуальной кислотности) основано на измерении электродвижущей силы в цепи, состоящей из двух полуэлементов: электрода измерения, погруженного в испытуемый раствор, и вспомогательного электрода с постоянным значением потенциала. В качестве вспомогательного электрода применяется хлорсеребряный электрод типа ЭВЛ, который состоит из серебра, находящегося в контакте с малорастворимой солью серебра и раствором хорошо растворимого электролита, имеющего общий анион с этой солью, KCl:

Ag AgCl, KCl

В качестве измерительного прибора в приборе рН-121 применяется стеклянный электрод типа ЭСЛ, потенциал которого зависит от концентрации ионов водорода. Активной частью стеклянного электрода является шарик из электродного стекла, заполненный раствором соляной кислоты с концентрацией 0,1 н, например HCl. В него погружен хлорсеребряный электрод. На границе раздела стекло-раствор происходит обмен ионами водорода и щелочного металла, входящего в состав стекла и раствора. В результате этого устанавливается равновесие:

М+ст. + Н+ = М+ + Н+ст. , где индексом «ст» обозначены катионы в поверхностном слое стекла.

При использовании хлорсеребряного и стеклянного электродов образуется гальванический элемент, определив электродвижующую силу которого ((Е), можно рассчитать рН:

Прибор для измерения рН называется потенциометром или рН-метром.

Материалы и оборудование:

1) химические стаканчики на 100-150 мл,

2) потенциометр (рН-метр),

3) технические весы.

Ход выполнения работы: на технических весах отвешивали 20 грамм воздушно-сухой почвы. Навеску помещали в химический стакан на 100-150 мл и приливали 50 мл дистиллированной воды. Содержимое перемешивали 1-2 мин и оставляли стоять 5 мин. Перед определением суспензию еще раз перемешивали и погружали в нее электрод измерения и электрод сравнения так, чтобы электроды были полностью погружены в почвенную суспензию. Через 0,5-1 мин отсчитывали по шкале значение рН, соответствующее измеряемой почвенной суспензии.

После определения среды грунта с помощью РН-метра переходили к определению его влажности.

Как и вода, грунт русла реки имел слабощелочную реакцию. Причем, если вода в точках отбора, расположенных в городской черте имела рН 7,4-7,6, то и вода и грунт, отобранные в районе свалки Венера имели более высокие значения рН (8,2-8,4). Такие высокие значения рН уже нельзя объяснить проявлением только карбонатной и гирокарбонатной жесткости. Вероятно, что в грунте и воде вблизи свалки много растворенного аммиака, являющегося продутом разложения мертвых животных и других органических остатков.

Относительно высокие значения рН воды и грунта в значительной мере тормозят скорость растворения тяжелых металлов в воде реки Липовка и воде, насыщающей подложку русла реки. При таких значениях рН металлы в основном находятся в воде в гидроксидной форме, в виде коллоидных растворов или суспензии и не должны далеко мигрировать от источников их поступления в воду и грунт. Однако не следует забывать о возможности растворения металлов за счет образования металлорганических комплексных соединений, как, например, растворяется олово, образуя ядовитые оловоорганические соединения.

Атомно-адсорбционный анализ

Атомно-адсорбционный анализ был предложен в 1955 г. Этот метод обеспечивает предел обнаружения многих элементов на уровне 0,1-0,01 мкг/мл. Во многих случаях, как и в нашем, это обеспечивает возможность анализировать почвы и растения без предварительного концентрирования элементов. Метод позволяет определять до 70 элементов, преимущественно металлов. Напротив, основные биогенные элементы (N, P, S и др. ) им нельзя определить.

Метод атомной адсорбции, сокращенно АА-метод, основан на использовании способности свободных атомов определенных элементов селективно поглощать резонансное излучение определенной для каждого элемента длины волны. Источником излучения для анализируемого элемента являются специальные лампы с полым катодом или шариковые лампы, помещаемые в высокочастотный генератор. Свечение шариковой лампы можно регулировать током, подаваемым на высокочастотный генератор, оно по яркости превосходит свечение обычных ламп с полым катодом.

В пламени специальной горелки А-А-анализатора анализируемый раствор испаряется, компоненты раствора плавятся и испаряются, вещества разлагаются, образуя свободные атомы. Большинство атомов находится в стандартном невозбужденном состоянии. Такие атомы способны поглощать излучение внешнего стандартного источника света, если его излучение резонансно переходу атома с основного (нижнего) энергетического состояния на более высокий уровень.

Световой поток от спектральной лампы проходит через пламя газовой горелки, диафрагму и монохроматор, а от него на фотоэлектрический детектор и усилитель. Усиленный сигнал поступает на самописец или обрабатывается с помощью ЭВМ, его значение сравнивается со значениями сигналов, полученных при анализе эталонных растворов различных элементов, В последнем случае на печать поступает уже расшифровка результатов анализа.

Стабилизированные пробы воды и воздушно-сухие образцы почвы готовили к анализу и анализировали по стандартным методикам в спектральной лаборатории НИИ Рапса и центральной заводской лаборатории НЛМК.

Обсуждение результатов

Исследование проводилось нами в период с октября по декабрь 2006 г, пока не замерзла почва.

При слабощелочном значении среды (рН = 7,4-8,6) как водных растворов, так и образцов почвы, концентрация растворимых форм металлов в воде не должна была быть большой, что и подтвердили результаты атомно-адсорбционной спектроскопии. В отобранных образцах воды, содержание металлов, например, свинца колебалось в районе 0,7-1,7 ПДК. В верхнем слое подстилающего грунта (0-20 см) содержание свинца колебалось от 1,2 до 3 ПДК, и было максимальным в районе гаражей. В грунте, находящемся на глубине 20-40 см содержание свинца резко уменьшалось, и было равно 0,1-1,1 ПДК. Полученные результаты носят предварительный характер и нуждаются в проверке. Однако уже сейчас ясно, что как вода р. Липовка, так и грунт, выстилающий русло реки, содержат тяжелые металлы в количествах, превышающих ПДК.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)