Радиационная опасность свинца для окружающей среды

Радиационная опасность  свинца для окружающей среды

Введение

Проблема загрязнения  окружающей среды свинцом и его  соединениями является для России наиболее острой и опасной. Свинец поставляет цветная металлургия, причем 94% этого металла выбрасывается в атмосферу 5 предприятиями. Это Среднеуральский медеплавильный завод, АО «Святогор» — Красноуральский медеплавильный завод, Кировоградский медеплавильный комбинат, АО «Динополиметалл», завод «Электроцинк». Как видим, главные отравители воздуха свинцом находятся на территории Свердловской области и привносят в атмосферу России 68,7% всех свинцовых выбросов.

Однако основным источником загрязнения атмосферного воздуха  свинцом в РФ является автотранспорт, использующий свинецсодержащий бензин. Ежегодно автомобильный парк выбрасывает в атмосферу 10 млрд. абсолютно смертельных доз свинца или 250 килотонн металла в весовых единицах. Так, общее количество свинца, выбрасываемое в воздух в результате сгорания топлива в двигателях, в 1997 году составило 301 килотонну, или примерно две – три смертельные дозы на человека в год.

Немалую роль в загрязнении  свинцом играют отработанные аккумуляторы, отравляющие почву и воду соединениями свинца.

Столь масштабное загрязнение  окружающей среды подтверждается следующим фактом: за год воды рек выносят 17 – 18 тыс. т. свинца, что примерно в 200 раз меньше количества выплавляемого металла.

Свинец влияет на нервную  систему человека, что приводит к  снижению интеллекта, вызывает изменение  физической активности, нарушение координации слуха, воздействует на сердечно-сосудистую систему, приводя к заболеваниям сердца. Это оказывает негативное влияние на состояние здоровья населения, в первую очередь детей, которые наиболее восприимчивы к свинцовым отравлениям.

В России постепенно увеличивается  количество людей, имеющих профессиональный контакт со свинцом. Случаи хронической свинцовой интоксикации зафиксированы в 14 отраслях промышленности.

Среди видов профессиональной интоксикации свинцовая занимает первое место, причем существует тенденция к ее увеличению. Среди рабочих, пострадавших от воздействия свинца, около 40% составляют женщины. Для них свинец представляет особую опасность, так как этот элемент обладает способностью проникать через плаценту и накапливаться в грудном молоке. Как правило, наиболее высокая концентрация свинца в атмосферном воздухе наблюдается в зимний период, что связано с дополнительными выбросами в атмосферу продуктов сжигания топлива. Неблагоприятные метеорологические условия в этот период года также способствуют накоплению свинца в нижних слоях атмосферы.

В нашем городе эта  тема наиболее актуальна, так как  автомобильный парк города с каждым годом увеличивается, следовательно, увеличивается и количество свинца в окружающем воздухе и почве.

Цель работы — изучить  основные источники загрязнения окружающей среды свинцом и влияние данного элемента на живую природу.

Перед собой я поставила  следующие задачи:

1. Рассмотреть накопление свинца в природе как загрязнителя окружающей среды.
2. Изучить некоторые продукты сгорания бензинов и их влияние на здоровье человека.
3. Определить роль химического источника тока в технике и экологии.
4. Освоить методику определения оксида углерода (II) в выхлопных газах автомобилей с помощью газоанализатора «Infralit 2 T».
5. Сформулировать рекомендации по защите окружающей среды от вредного влияния ионов свинца.

Свинец (⁸² _207,2 Pb)

Распространение в природе 

Физические  свойства

Свинец — пластичный, мягкий металл. Температура плавления +327,4 ⁰С, температура кипения +1725 ⁰С, плотность — 11,34 г/см³, цвет — синевато-серый. Хорошо поддается литью, ковке, пайке и прокатке.

Химические  свойства

На воздухе свинец быстро покрывается тонким слоем  оксида, защищающего его от дальнейшего окисления. Вода сама по себе не взаимодействует со свинцом, но в присутствии воздуха свинец постепенно разрушается водой с образованием гидроксида свинца (II):

2Pb+O₂ +2H₂O = 2Pb(OH)₂

Однако при соприкосновении  с жесткой водой свинец покрывается защитной пленкой нерастворимых солей (главным образом сульфата и основного карбоната свинца), препятствующей дальнейшему воздействию воды и образованию гидроксида. При нагревании свинец взаимодействует с большинством неметаллов:

Pb + Cl₂ = ^t = PbCl₂

Также при высокой  температуре свинец взаимодействует  с водными растворами щелочей:

Pb⁰ + 4KOH + 2H₂O = K₄[Pb⁺²(OH)₆] + H₂

Таблица 1

Растворимость свинца в  некоторых веществах

Для свинца характерны степени  окисления +2 и +4. Устойчивы и многочисленны соединения со степенью окисления свинца +2. Перевод Pb(II) в Pb(IV) возможен лишь при электролитическом окислении или под действием наиболее сильных окислителей (Cl₂, белильная известь и др.) при нагревании в щелочной среде. Например:

Pb(CH₃COO)₂ + Cl₂ + 4KOH = PbO₂ + 2KCl + 3KCH₃COO + 2H₂O

Соединения свинца (IV) легко переходят в соединения свинца (II), следовательно, соединения свинца (IV) являются сильными окислителями.

Таблица 2

Некоторые соединения свинца

Все растворимые соединения свинца ядовиты. Соли не существующей в свободном состоянии свинцовой кислоты H₂PbO₃, называются плюмбатами. Например, при сплавлении диоксида свинца с оксидом кальция образуется плюмбат кальция CaPbO₃:

CaO + PbO₂ = CaPbO₃

При сплавлении Pb(OH)₂ с сухими щелочами получаются соли, называемые плюмбитами:

Pb(OH)₂ + 2NaOH = Na₂PbO₂ + 2H₂O

Применение

Легкоплавкий и удобный  в переработке свинец широко применяется в наши дни. Из свинца изготавливают оболочки кабелей, электроды аккумуляторов, аноды, используемые при хромировании, им покрывают изнутри сосуды, предназначенные для хранения серной кислоты, также изготовляют змеевики холодильников и другие ответственные части аппаратуры. Свинец идет на изготовление боеприпасов и на выделку дроби. Он входит в состав многих сплавов, например сплавов для подшипников, типографского металла. Свинец хорошо поглощает рентгеновское и радиоактивное излучение, и его используют для защиты от излучения при работе с радиоактивными веществами. Применяют для получения тетраэтилсвинца (ТЭС) и других соединений свинца.

Источники загрязнения  окружающей среды свинцом

Получение свинца

1. Восстановительный обжиг. Обогащенный флотацией галенит обжигают на воздухе для удаления серы, и образующийся оксид свинца (II) восстанавливают коксом или чаще — монооксидом углерода в шахтных печах:

2PbS+3O₂ = 2PbO+2SO₂

PbO + CO = Pb + CO₂

В результате получают черновой свинец, из которого выделяют медь, серебро, железо, олово, мышьяк и сурьму; висмут остается вместе со свинцом. Особо чистый свинец получают электролитическим рафинированием с использованием фторосиликатного электролита.

2. Окислительный обжиг. Особенно чистую руду PbS подвергают частичному окислению до PbO, а затем смесь прокаливают:

PbS + 2PbO = 3Pb + SO₂

3. Из солей свинца с помощью электролиза.
4. Взаимодействием солей свинца с цинком:

Pb(NO₃)₂ + Zn = Zn(NO₃)₂ + Pb

или восстановлением оксида свинца (II) током водорода:

PbO + H₂ = Pb + H₂O.

Загрязнение окружающей среды в процессе получения  свинца

При производстве свинца и его сплавов в атмосферу  выбрасывается значительное количество свинцовой пыли. Свинец, содержащийся в этой пыли, вовлекается в биологический круговорот, негативно воздействуя при этом на все живое.

Несомненно, огромный вклад в загрязнение  окружающей среды свинцом вносят химические источники тока.

Аккумулятор — устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования.

Рассмотрим принцип действия свинцового (кислотного) аккумулятора.

Готовый к употреблению свинцовый  аккумулятор состоит из решетчатых свинцовых пластин, одни из которых заполнены диоксидом свинца, а другие — металлическим губчатым свинцом. Пластины погружены в 35 – 40% раствор H₂SO₄; при этой концентрации удельная электрическая проводимость раствора серной кислоты максимальна.

При работе аккумулятора — при  его разряде — в нем протекает  окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой металлический свинец окисляется:

Pb+SO₄^2- = PbSO₄ +2e^-,

а диоксид свинца восстанавливается:

PbO₂ +SO₄^2- + 4H⁺ + 2e^- = PbSO₄ + 2H₂O.

Электроны, отдаваемые атомами  металлического свинца при окислении, принимаются PbO₂ при восстановлении; электроны передаются от одного электрода к другому по внешней цепи.

Таким образом, металлический  свинец служит в свинцовом аккумуляторе анодом и заряжен отрицательно, а PbO₂ служит катодом и заряжен положительно.

Во внутренней цепи (в  растворе H₂SO₄) при работе аккумулятора происходит перенос ионов. Ионы SО₄^2- движутся к аноду, а ионы Н⁺ — к катоду. Направление этого движения обусловлено электрическим полем, возникающим в результате протекания электродных процессов: у анода расходуются анионы, а у катода — катионы. В итоге раствор остается электронейтральным. Если сложить уравнения, отвечающие окислению свинца и восстановлению PbO₂, то получится суммарное уравнение реакции, протекающей в свинцовом аккумуляторе при его работе (разряде):

Pb + PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄^2- = 2PbSO₄ + 2H₂O.

ЭДС заряженного свинцового аккумулятора равна 2 В. По мере разряда аккумулятора материалы его катода (PbO₂) и анода (Pb) расходуются. Расходуется и серная кислота. При этом напряжение на зажимах аккумулятора падает. Когда оно становится меньше значения, допускаемого условиями эксплуатации, аккумулятор вновь заряжают. Для зарядки аккумулятор подключают к внешнему источнику тока. При этом ток протекает через аккумулятор в направлении, обратном тому, в котором он проходил при разряде аккумулятора. В результате этого электрохимические процессы на электродах «обращаются». На свинцовом электроде теперь происходит процесс восстановления:

PbSO₄ + 2e^- = Pb + SO₄^2-,

т.е. этот электрод становится катодом.

На электроде из PbO₂ при зарядке идет процесс окисления:

PbSO₄ + 2H₂O = PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 2e^-,

следовательно, этот электрод является теперь анодом. Ионы в растворе движутся в направлениях, обратных тем, в которых они перемещались при работе аккумулятора. Складывая два последних уравнения, получим уравнение реакции, протекающей при зарядке аккумулятора:

2PbSO₄ + 2H₂O = Pb + PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄^2-.

Нетрудно заметить, что  этот процесс противоположен тому, который протекает при работе аккумулятора; при зарядке аккумулятора в нем вновь получаются вещества, необходимые для его работы.

Свинцовый аккумулятор  используется как автономный источник электрической энергии, главным образом применяется в транспорте.

Свинцовый аккумулятор — загрязнитель окружающей среды

Опасности для человека, окружающей среды возникают преимущественно на этапе утилизации отработавших аккумуляторов. По-прежнему много батарей после использования выбрасывается в мусоропроводы. По экспертным оценкам, на свалках, транспортных площадках и в других местах на всей территории России в настоящее время находится до 1 млн. т. свинца в отработавших свой срок аккумуляторах. При существующем положении с их переработкой эта величина возрастает на 50 – 60 тыс. т. ежегодно. На свалках или установках для компостирования аккумуляторы разлагаются, при этом в почву и подземные воды попадает большое количество свинца. При рециклинге также происходит загрязнение окружающей среды, особенно пылью, содержащей свинец. При изготовлении свинцовых аккумуляторов образуется значительное количество пылевидных частиц, содержащих соединения свинца. Таким образом, свинцовые аккумуляторы вносят немалый вклад в загрязнение окружающей среды.

Помимо свинцового широко применяются и многие другие виды аккумуляторов. В среднем на каждый квадратный метр приходится по одному аккумулятору; очевиден процесс массового загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, концентрированными электролитами и другими вредными химическими соединениями.

Выбросы автотранспорта — основной источник загрязнения  окружающей среды ионами свинца

Без сомнения, наиболее важным источником загрязнения в Свердловской области является автомобильный транспорт, использующий этилированный бензин. Численность автомобильного парка Свердловской области увеличилась в 1997 году более чем на 5% и превысила 1 млн. единиц, при этом опережающими темпами растет число легковых автомашин (на 10 – 12% в год). В Екатеринбурге, Каменске-Уральском, Первоуральске, Верхней Пышме, Нижнем Тагиле, Березовском выбросы автотранспортных средств составляют 30 – 70% общего объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Автотранспорт вносит значительный вклад в загрязнение атмосферы свинцом.

Таблица 3

Выбросы некоторых загрязняющих веществ автомобильного транспорта по городам области в 1997 году (в тоннах)

Самое большое количество свинца и окиси углерода выбрасывается  автомобилями городов Екатеринбург, Нижний Тагил и Первоуральск. Наблюдается тенденция роста уровня загрязнения атмосферного воздуха свинцом в крупных городах области. На передвижные источники загрязнения приходится свыше 70% суммарных выбросов свинца. Высоким остается уровень загрязнения воздушного бассейна городов диоксидом азота, формальдегидом, оксидом углерода. В целом область значительно загрязнена свинцом. Общая площадь сильно загрязненных земель составляет более 68 тыс. га. Очевиден стабильный вклад автотранспорта в загрязнение свинцом окружающей среды городов Свердловской области. Так каким же образом свинец попадает в двигатели внутреннего сгорания и рассеивается автомобилями вдоль автомагистралей?

Получение бензинов при крекинге нефтепродуктов

Основным процессом  переработки нефти является фракционная  перегонка — термическое разделение нефти на составные части (фракции).

Таблица 4

Основные фракции нефти

В результате отгона фракций  остается мазут.

От прямой перегонки  нефти отличают ее крекинг, т.е. термическое  или каталитическое расщепление  высших углеводородов (УВ) с образованием соединений меньшей молекулярной массы. Таким способом из высококипящих фракций нефти дополнительно получают наиболее ценные низкокипящие фракции — главным образом моторные бензины, т.е. целевым продуктом крекинга является бензиновая фракция с высоким октановым числом. Процесс крекинга происходит с разрывом углеродных цепей и образованием более простых предельных и непредельных УВ, например:

C₁₆H₃₄ = C₈H₁₈ + C₈H₁₆.

Образовавшиеся вещества могут разлагаться далее:

C₈H₁₈ = C₄H₁₀ + C₄H₈; C₄H₁₀ = C₂H₆ + C₂H₄.

Различают два основных вида крекинга.

Таблица 5

Термический и каталитический крекинг

Состав бензина

Бензин, полученный в результате перегонки нефти, состоит в основном из УВ (предельных 25 – 61%, непредельных 13 – 45%, нафтеновых 9 – 71%, ароматических 4 – 16%). При полном его сгорании образуются углекислый газ, вода, и выделяется тепло. Для одного из компонентов бензинов — октана — эта реакция выглядит следующим образом:

C₈H₁₈ + 12,5O₂ + 47N₂ = 8CO₂ + 9H₂O + 47N₂ + 5062 kДж/моль.

В состав бензина могут входить примеси: серо-азот и кислородсодержащие соединения. Большая часть этих соединений удаляется из бензина при его очистке.

Октановое число

Автомобильный бензин представляет собой горючее с низкими детонационными характеристиками. Детонацией называют такой характер горения, при котором воспламенение горючей смеси происходит в нескольких точках цилиндра или по всему объему сразу. При этом возникают очень высокие пики давления, и двигатель может быть поврежден. Детонационные характеристики количественно определяются так называемым октановым числом, которое считается равным нулю для н-гептана, весьма подверженного детонации, и равным 100 для изооктана (2,2,4-3 метилпентан) — углеводорода, стойкого к детонации. Если конкретное топливо и смесь н-гептана с изооктаном имеют одинаковые детонационные свойства, то содержание последнего (в процентах к общему объему) определяет октановое число рассматриваемого топлива. Например, бензин с октановым числом 76 детонирует так же, как смесь, состоящая из 24% н-гептана и 76% изооктана. Чем выше октановое число, тем лучше эксплуатационные качества бензина. Октановое число в основном увеличивают с помощью тетраэтилсвинца (ТЭС). Механизм антидетонационного действия алкилов свинца до конца не установлен. Очевидно, тетраэтилсвинец поступает в цилиндр в виде паров вместе с топливной смесью и вследствие возрастания температуры распадается с образованием частиц твердого оксида свинца. Эти частицы блокируют активные атомы кислорода, которые инициируют реакцию, приводящую к взрыву. Дибром- и дихлорэтаны действуют как раскислители и, вступая во взаимодействие с оксидом свинца, образуют летучий хлорбромид свинца, выносящийся из цилиндров отработавшими газами.

Недостатки применения ТЭС — негативное действие на всю  биосферу, более быстрый износ  двигателя и невозможность применения каталитической системы очистки отработавших газов вследствие ее отравления антидетонатором. Вот почему, несмотря на все достоинства ТЭС, применение его нежелательно, как нежелательно и применение самого бензина, потому что выхлопные газы, образующиеся в результате сгорания топлива, оказывают негативное влияние на всю биосферу Земли.

Воздействие отработавших газов автомобиля на живые организмы сводится к следующему:

• Максимальные энергетические показатели двигателя достигаются в условиях избытка топлива. Однако при этом из-за недостатка кислорода часть УВ бензина не окисляется до конца, что приводит к образованию элементного углерода (сажи) и оксида углерода (II), оказывающего вредное воздействие на здоровье человека даже при низких концентрациях вследствие более активного по сравнению с кислородом взаимодействия с гемоглобином крови.
• УВ, попадающие в атмосферу вследствие испарения, а также продукты неполного сгорания топлива, взаимодействуя с оксидом азота, образуют токсичные продукты в составе смога — вредного для людей тумана, образование которого характерно для крупных городов.
• Оксид азота (II), являющийся одним из компонентов выхлопных газов, — сильный яд;
• Оксид серы (II) нарушает процессы дыхания и способствует повышению кислотности атмосферных осадков.
• Альдегиды оказывают наркотическое действие на ЦНС.
• Среди ароматических УВ наиболее опасны полициклические производные, обладающие канцерогенными свойствами, особенно 3,4-бенз(а)пирен.
• Попадание галогенидов в атмосферу весьма опасно вследствие возможного накопления свинца в крови и тканях человека и животных, в плодах растений, листьях деревьев, почти во всех живых организмах.

Влияние ионов  свинца на живую природу

Влияние на организм человека, общий характер действия, токсическое действие свинца

В природе свинец встречается  повсеместно, но жизненно необходимым  он не является. За последние десятилетия уровень концентрации в природе все более повышается вследствие антропогенных нагрузок. Главным источником, из которого свинец попадает в организм человека, служит пища; наряду с этим важную роль играет вдыхаемый воздух, а у детей также заглатываемая ими свинецсодержащая пыль. Вдыхаемая пыль примерно на 30 – 50% задерживается в легких, значительная ее доля всасывается током крови. Всасывание в желудочно-кишечном тракте составляет в целом 5 – 10%, у детей — 50%. Дефицит кальция и витамина Д усиливает всасывание свинца в желудочно-кишечном тракте. В среднем за сутки организм человека поглощает 26 – 42 мкг свинца. Это соотношение может варьировать. Около 90% общего количества свинца в человеческом теле находится в костях, у детей — 60 – 70%. Биологический период полураспада в костях — около 10 лет. Количество свинца, накопленного в костях, с возрастом увеличивается и в 30 – 40 лет (фаза насыщения) у лиц, по роду занятий не связанных с загрязнением свинца, составляет 80 – 200 мг. Особую опасность представляет свинец для женщин, так как этот элемент обладает способностью проникать через плаценту и накапливаться в грудном молоке.