Эколого-геохимическое исследование донных отложений рек города Красноярска

Федеральное агентство по образованию

  ГОУ ВПО Красноярский  государственный  педагогический  университет им. В.П. Астафьева 

 

 

Факультет биологии, географии и химии

Кафедра физической географии и геоэкологии

Специальность 020804 –«геоэкология»

Группа 45

 

Курсовая работа

Эколого-геохимическое исследование донных отложений рек города Красноярска. Ti и P

 

 

 

 

                  

Проверила: кандидат геолого-минералогических наук,

Доцент ВАК,

Ананьева Татьяна Алексеевна

Выполнил студент 45 группы

Глазков Алексей Викторович

 

                                                 Красноярск 2014

Содержание:

 Введение ............................................................................................................................ 3

1.1.Полевые эколого-геохимическое исследования........................................................4

1.2. опробование донных отложений…………………………..…………….…….…...4

1.3. Подготовка проб к анализу ….….…………………………………..….…..…..…...5

  2 . Результаты атомно-эмиссионного спектрального анализа …………………....…5-6

  2.1. Расчеты …………………...........................................................................................5-6

 

  2.2. Обсуждение результатов анализа…………………………………...…….........….6

 

  3.3.1. Среднее содержание элементов в донных отложениях…..……………....……7

 

  4.1. Характеристика элементов……………………………………………….…..…….8

 

 4.1. Характеристика Тi ……………………………………………….……….……….…8

 

4.1.1 История ……………………………………………………………………………....8

 

4.1.2. Нахождение в природе  ………………………………………………………….….8

 

4.1.3. Применение ……………………………………………………………………...….9

 

4.2.  Характеристика Р ………………………………………………………….………...12

 

4.2.1. История ………………………………………………………………………………12

 

4.2.2. Нахождение в природе………………………………………………………………13

 

4.2.3. Применение ………………………………………………………………………….14

 

Заключение ……………………………………………………………………….............…15

 

 Список использованной  литературы ..................................................................................16

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Объектом и предметом геохимии окружающей среды являются химические элементы в естественных условиях,  а так же их поведение в условиях взаимодействия живого и косного вещества, условия миграции и накопление. В связи с этим  были проведены эколого-геохимические  исследования 3 крупнейших рек в г. Красноярске.

Цель данной работы, заключается в изучении поведения элементов в илистых отложениях рек Красноярска, выявление особенностей концентрации данных элементов и возможные их пути попадания в окружающую среду .

Для этого проводились полевые исследование т.е. прохождение маршрута , заложенного по определенному профилю. Были взяты пробы илистых отложений 3-х рек города Красноярска, что бы определить распространение элементов. [Таблица . Список, номера, места взятия проб донных отложений]

Методика эколого-геохимических исследований во многом основана  на методике геохимических поисков.

На каждой точке (место взятия пробы) наблюдения выполнялись по определенной схеме и заносились в полевые дневники.

В данном работе определяется содержание в илистых отложениях Ti и P, а так же описаны возможные источники этих элементов и их роль в жизни человека.

 

 

 

 

 

 

  

                                                           

 

   

                                                                  3

1. Полевые эколого-геохимические исследования

 Если проектом предусматривается только качественная оценка состояния окружающей среды, то полевые исследования проводятся в летний период для уточнения ландшафтно-геохимической карты, созданной камеральным путем, и выявление ландшафтно-геохимических аномалий.

 Отбор проб и оформление полевых материалов.

Количество проб обусловлены объектом, и  сеть отбора предусмотрены проектом.

 Полевая документация  проб отбора ведется в стандартной полевой книжке  одновременно с отбором пробы и описанием ландшафтно- геохимических особенностей района по ходу маршрута . Все записи проводятся  простым  черным карандашом  в поле .

На карту фактического материала  выносятся все и точки отбора проб . Точки отбора проб выделяются на карте черным цветом (2009г.) и оранжевым цветом (2013г.) подписывается номер пробы . [ Рисунок 1. Места взятия проб донных отложений.]

1.2. Опробование донных отложений

 Опробование донных  отложений проводилось для установления  закономерностей распространения  элементов и их соединений  в донных и прибрежных отложениях  рек Красноярска.

 При количественной оценке состояния окружающей среды пробы илистых отложений отбирались для установления закономерностей распределения элементов и их соединений в выделяемых участках.

 При опробировании, пробы ила отбирались в мелководье рек, 2 метра от берега, штыковой лопатой. Масса отобранных проб ориентировочно составляет 100 грамм.

 Затем пробы были  просеяны и просушены. В процессе  сушки из проб илистых отложений  были удалены водоросли и обломки  горных пород (Щебень, песок) размером  более 0,5 мс в диаметре.

Исследования в пределах аквальных ландшафтов. Для количественной оценки производится отбор проб по сети, соответствующей стадии проводимых эколого-геохимических исследований. Пробы необходимо отбирать из верхнего горизонта донных отложений.            

1.3. Подготовка проб к анализу

Перед началом обработки все пробы были рассыпаны на бумагу и разминались крупные комки , а так же удалялись различные включения (корни , камни , стекло, уголь и др.)

Затем пробы были  высушены до воздушно-сухого состояния в сушильном шкафу т.к. обработка влажных проб запрещена  и осуществлялась в строгом соответствии с единой схемой обработки .

Пробы растирались в ступках пестиком и просеивались через сито диаметром отверстий 1 мм.

Растирание  производилось  в условиях , исключающих заражение проб ранее истиравшимся материалом , до состояния пудры.

Озоление проводилось в лаборатории с использованием фарфоровых чашечках в специальных электрических печах, при температуре 500о С.

Золу снова подвергали растиранию. После чего пробы были помещены в заранее подготовленный и подписанный  бумажный конверт.

Пробы отправили в лабораторию на атомно-эмиссионный спектральный анализ.

Затем проводилась обработка результатов анализа ,выявление закономерностей распределения химических элементов и статистическая обработка.

2 . Результаты  атомно-эмиссионного спектрального  анализа

2.1 Расчеты 

Для того чтобы охарактеризовать геохимические особенности отдельных геохимических систем ( в нашем случае это донные отложения )  и подчеркнуть  их отличие от среднего химического состава литосферы  применяется Кларк концентрации  - это отношение местного кларка к кларку в земной коре.

[Таблица 2 . Результаты атомно-эмиссионного спектрального анализа и кларки концентраций химических элементов.]

 

 

 

                                                                 5

 

К фосфора 0,093  %  ( К в земной коре   по Виноградову )

К фосфора  0,15  %  (К в глубоководных илах по Алексеенко)

К титана 0,45% (К в земной коре по Виноградову)

К титана 0,466% (К в глубоководных илах по Алексеенко)

 КК =  Са ÷К

Где  Са - содержание химического элемента в пробе

        К  – кларк  в земной коре по  Виноградову  и кларк в глубоководных илах по  Алексеенко

2.2 Обсуждение результатов анализа

Содержание титана в пробах 10 и 16 за 2009 год  превышает допустимую норму, а в пробах 2, 3, 4, 5, 7, 8, 24, 25, 26, 27, 29, 30 за 2013 год превышает допустимую норму от 1,5 до 4 раз. Содержание фосфора в пробах 10, 16, 18 превышает допустимую норму в пробах за 2009 год, и не превышает не в одной из проб за 2013 год. [Рисунок 2. Кларк Концентрации титана в пробах донных отложений].

В донных отложениях Базаихи, Енисея, Качи увеличилась концентрация титана во всех пробах.

В пробах 2013 года значительно больше титана, чем в пробах 2009 года. Самая высокая концентрация наблюдается в пробах – 8 (Кк 1300) река Енисей, 26 (Кк 2000) река Кача все пробы 2013 года. Горные породы, по которым протекают реки, не могут поставить в окружающую среду столь огромное количество Титана. Причину необходимо искать в антропогенной деятельности - сброс в воду опасных отходов производств, преимущественно предприятий металлургии и машиностроения, а так же выбросы в атмосферу с угольных ТЭС.

Фосфор в большинстве случаев имеет значение меньше кларка концентрации, и его количество по сравнению с 2009 годом значительно уменьшилось, и превышения кларка концентрации за 2013 год не наблюдается.

Помимо этого был построен график сравнительного содержания титана (2009 и 2013 год ) и фосфора (2009 и 2013 год ), показывающий разницу между этими годами. Из него наглядно видно, что концентрация титана значительно выросла, а концентрация фосфора значительно уменьшилась. Сравнение кларков концентрации велось по реке Енисей, так как  в нее впадают остальные реки, отсюда следует, что в Енисей поступают все элементы с реки Кача и Базаиха. [ График 1 и 2. Сравнение кларков концентрации элементов за 2009 и 2013 года ( река Енисей)].

                                                                 6

3. 3.1Среднее содержание элементов в пробах илистых отложений.

Среднее содержание по 18 пробам 2009 год.

Ti = 0,3511 %

P =0,0631  %

Река Енисей (12 проб)                         Река Базаиха( 2 пробы)

Ti =0,329 %                                                      Ti =0,42 %

P =0,0581 %                                                     P =0,049 %

Река Кача (2 пробы)

Ti=0,402 %

P =0,085 %

Среднее содержание по 30 пробам 2013 год

Ti = 0,521 %

P =0,0464  %

Река Енисей (10 проб)

Ti =0,569 %

P =0,0416 %

Река Базаиха( 10 проб)                           Река Кача (10 проб)

Ti =0,233 %                                               Ti=0,761 %

P =0,0593 %                                              P =0,0383 %

 

 

                                                                7

4 .Характеристика  элементов

4.1 Характеристика  Ti

Титан — элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 22. Простое вещество титан  лёгкий металл серебристо-белого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 883 °C. Температура плавления 1660±20 °C. Tитан имеет твердость по Бринеллю 175 МПа.

4.1.1. История

Открытие TiO2 сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1791), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минералерутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля — оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз — идентичные оксиды титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI4.

4.1.2.Нахождение в природе

Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре 0,57 % по массе, в морской воде 0,001 мг/л. В ультраосновных породах 300 г/т, в основных — 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al2O3. Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. До 30 % TiO2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях.

                                                                 8

Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO2,  ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4,  перовскит CaTiO3, титанит CaTiSiO5.

Различают коренные руды титана — ильменит-титаномагнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-цирконовые.

4.1.3.Применение

В чистом виде и в виде сплавов

• Металл применяется в: химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы, трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня и противопожарные перегородки в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, украшениях для пирсинга, медицинской промышленности (протезы, остеопротезы), стоматологических и эндодонтических инструментах, зубных имплантатах, спортивных товарах, ювелирных изделиях, мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д. Является важнейшим конструкционным материалом в авиа-, ракето-, кораблестроении.

• Титановое литье выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литье по выплавляемым моделям. Из-за технологических трудностей, в художественном литье используется ограниченно. Первой в мировой практике монументальной литой скульптурой из титана является памятник Юрию Гагарину на площади его имени в Москве[10].

• Титан является легирующей добавкой во многих легированных сталях и большинстве спецсплавов.

• Нитинол (никель-титан) — сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике.

• Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.

• Титан является одним из наиболее распространённых геттерных материалов, используемых в высоковакуумных насосах.

В виде соединений[править | править исходный текст]

• Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Пищевая добавка E171.

                                                               

                                                                  9

• Титанорганические соединения (например, тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.

• Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.

• Карбид титана, диборид титана, карбонитрид титана — важные компоненты сверхтвёрдых материалов для обработки металлов.

• Нитрид титана применяется для покрытия инструментов, куполов церквей и при производстве бижутерии, так как имеет цвет, похожий на золото.

• Титанат бария BaTiO3, титанат свинца PbTiO3 и ряд других титанатов —- сегнетоэлектрики.

Существует множество титановых сплавов с различными металлами. Легирующие элементы разделяют на три группы, в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения: на бета-стабилизаторы, альфа-стабилизаторы и нейтральные упрочнители. Первые понижают температуру превращения, вторые повышают, третьи не влияют на неё, но приводят к растворному упрочнению матрицы. Примеры альфа-стабилизаторов: алюминий, кислород, углерод, азот. Бета-стабилизаторы: молибден, ванадий, железо, хром, никель. Нейтральные упрочнители: цирконий, олово, кремний. Бета-стабилизаторы, в свою очередь, делятся на бета-изоморфные и бета-эвтектоидообразующие. Самым распространённым титановым сплавом является сплав Ti-6Al-4V (в российской классификации — ВТ6).

В 2005 компания Titanium Corporation опубликовала следующую оценку потребления титана в мире:

• 60 % — краска;

• 20 % — пластик;

• 13 % — бумага;

• 7 % — машиностроение.

 

4.1.4.Цинк в организме человека

Титан - один из тех химических элементов, влияние которого на человеческий организм хорошо не изучено. Между тем, нельзя сказать, что титан и его соединения - тайна за семью печатями для научных и медицинских кругов. Титан играет отведенную природой роль, исполнить которую другим элементам не под силу. И сбрасывать со счетов этот элемент только на том основании, что о нём мало известно, не нужно, приуменьшать его значимость не стоит. Широчайшее применение титан получил в медицине. Из титана изготавливается огромное количество медицинских инструментов, особенно хирургических: скальпели, пинцеты, зажимы.

                                                                10

Но ещё более широкое распространение титан получил как материал для изготовления протезов благодаря своей прочности, легкости, коррозионной стойкости и биологической инертности. Титан применяется в качестве материала при изготовлении имплантатов в ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и нейрохирургии. В стоматологии применяются титановые штифты, и титановые имплантаты, на которые крепятся зубные коронки.

Рекомендуемая суточная норма титана

Титан, который представляет собой твердый металл серебристо-серого цвета, является составляющей многих минеральных веществ. Этот химический элемент довольно широко распространен в природе.

Каждые сутки в человеческий организм поступает приблизительно 0,85 мг этого макроэлемента с продуктами питания, питьевой водой и даже с воздухом. Однако, всасываемость титана желудочно-кишечным трактом слишком слабая – всего от 1 до 3 процентов данного вещества.

Для чего организму человека необходим титан? Большинство специалистов-биохимиков считают, что биологическая роль этого макроэлемента полностью не выяснена, но в то же самое время известно, что титан принимает участие в процессе образования эритроцитов в костном мозге, а также формировании нормального иммунитета и синтезе гемоглобина.

В человеческом организме титан можно найти в слуховом и зрительном центрах, головном мозге и даже женском молоке, где он присутствует в определенных количествах. Это вещество способно снижать содержание холестерина и мочевины, улучшая состав крови, а также активизировать процессы обмена веществ.

Встретить титан можно в морской воде, в тканях растений и животных, и, следовательно, в продуктах растительного и животного происхождения. Растения получают это вещество из почвы, а животные, поедая их, также обогащают свой организм титаном. Больше всего этого макроэлемента присутствует в бобовых, молочных и мясных продуктах, но его содержание очень незначительно. Известно, что в достаточно немалых количествах титан содержится в ярко-зеленой водоросли пресноводных водоемов - кустистой кладофоре.

Суточная норма 

Суточная норма титана – довольно специфический термин, в связи с тем, что его роль для организма человека полностью не раскрыта. Но в то же время согласно некоторым данным этого вещества нам требуется не менее 300-600 мкг в сутки.    

                                                                11

Основные проявления дефицита титана

Примечательно, что признаки недостатка титана ни у человека, ни у животных пока еще не выявлены, поэтому можно сказать, что есть основания предполагать, что такого состояния просто не существует.

Титан является малотоксичным или вовсе нетоксичным металлом для человеческого организма. Например, что будет, если превысить суточную норму титана, врачи сказать не могут, так как не располагают достаточными данными.

Известно лишь, что при регулярном вдыхании двуокиси титана это вещество накапливается в легких, вызывая некоторые хронические заболевания с одышкой и кашлем с мокротой – трахеит, альвеолит и другие. Поэтому говоря о недостатке титана, следует иметь в виду лишь факт избыточного состояния этого элемента в организме, которое может быть опасно для жизни.

4.2  Характеристика  P

Фосфор —химический элемент 15-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы пятой группы) третьего периода периодической системы Д. И. Менделеева; имеет атомный номер 15. Один из распространённых элементов земной коры: его содержание составляет 0,08—0,09 % её массы. Концентрация в морской воде 0,07 мг/л[4]. В свободном состоянии не встречается из-за высокой химической активности. Образует около 190 минералов, важнейшими из которых являются апатитCa5(PO4)3(F,Cl,OH), фосфорит и другие. Фосфор содержится во всех частях зелёных растений, ещё больше его в плодах и семенах (см. фосфолипиды). Содержится в животных тканях, входит в состав белков и других важнейших органических соединений (АТФ, ДНК), является элементом жизни.

4.2.1.История открытия

Фосфор открыт гамбургским алхимиком Хеннигом Брандом в 1669 году. Подобно другим алхимикам, Бранд пытался отыскать философский камень, а получил светящееся вещество. Бранд сфокусировался на опытах с человеческой мочой, так как полагал, что она, обладая золотистым цветом, может содержать золото или нечто нужное для добычи. Первоначально его способ заключался в том, что сначала моча отстаивалась в течение нескольких дней, пока не исчезнет неприятный запах, а затем кипятилась до клейкого состояния. Нагревая эту пасту до высоких температур и доводя до появления пузырьков, он надеялся, что, сконденсировавшись, они будут содержать золото.

                                                               12

После нескольких часов интенсивных кипячений получались крупицы белого воскоподобного вещества, которое очень ярко горело и к тому же мерцало в темноте. Бранд назвал это вещество phosphorus mirabilis (лат. «чудотворный носитель света»). Открытие фосфора Брандом стало первым открытием нового элемента со времён античности.

Картина Джозефа Райта «Алхимик, открывающий фосфор» предположительно описывающая открытие фосфора Хеннигом Брандом, 1771 год . Несколько позже фосфор был получен другим немецким химиком —Иоганном Кункелем. Независимо от Бранда и Кункеля фосфор был получен Р. Бойлем, описавшим его в статье «Способ приготовления фосфора из человеческой мочи», датированной 14 октября 1680 года и опубликованной в 1693 году. Усовершенствованный способ получения фосфора был опубликован в 1743 году Андреасом Маргграфом. Существуют данные, что фосфор умели получать ещё арабские алхимики в XII в. То, что фосфор — простое вещество, доказал Лавуазье.

4.2.2.Нахождение в природе

Фосфор встречается в природе почти исключительно в виде солей фосфорной кислоты, главным образом фосфорита 3Са3(РО4)2∙Са(ОН)2 и апатита 3Са3(РО4)2∙Са(F,С1)2. Лишь в отдельпых местах встречаются фосфаты железа, например, вивианит (синяя железная руда) Fе3(РO4)2∙8Н2O, алюминия, например, вавеллит 3А12O3∙2Р2O5∙12Н2O, а также редких земель. Соединения фосфорной кислоты составляют существенную часть растительных и животных организмов. Часть фосфорной кислоты связана в них в виде органических соединений, например, в желтке яйца и в веществе мозга − в форме лецитинов; частично же в виде гидраксилапатита 3Са3(РО4)2∙Са(ОН)2 или карбонат-апатита 3Са3(РО4)2∙СаСО3∙Н2О она входит в состав основного вещества костей.

Зубная эмаль не содержит, как предполагали ранее, преимущественно фторапатит 3Са3(РО4)2∙СаF2, но состав ее неорганического вещества, что было показано позднейшими исследованиями, в основном такой же, как и остальных костей. Большая прочность зубной эмали объясняется тем, что гидроксил- или карбонатапатит в ней присутствует в сравнительно более крупно-кристаллическом состоянии (размер кристалликов 10-4 см по сравнению с 10-5−10-6 см в остальных костях).