Техногенная миграция химических элементов

ФГОУ ВПО «Оренбургский  государственный аграрный университет»

Институт управления рисками  и безопасностью жизнедеятельности

РЕФЕРАТ

Студента:                        Астаховой Кристины Владимировны

на тему:

Техногенная миграция химических элементов

Реферат выполнен на кафедре:

Техносферной  безопасности

По дисциплине:

Физико – химические процессы

Проверил: преподаватель                                                                Н.Н.Тютюник                                        

Содержание:

   Введение……………………………………………………………………………3

1.Миграция химических элементов. Виды миграции…………………………....5

2.Техногенная миграция химических элементов…………………………………7

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

  Литература…………………………………………………………………………16

ВВЕДЕНИЕ

Геохимия - наука о химическом составе Земли и планет (космохимия), законах распределения элементов  и изотопов, процессах формирования горных пород, почв и природных вод.

Современная геохимия изучает  историю атомов химических элементов  Земли, точнее сказать, земной коры. Сфера  земного шара очень небольшая, на ее долю приходится всего 0,5% от общей  массы планеты (на долю мантии — 68,1%, на долю ядра— 31,4%).

Нашу планету часто  именуют гигантской химической лабораторией. Мы бы уточнили: физико-химической, потому что наблюдаемое ныне распределение  и состав тысяч горных пород и  минералов - это результат действия многих и физических, и химических процессов. Они должны быть объектом исследования нескольких научных дисциплин. Среди таких дисциплин первое место, безусловно, принадлежит геохимии.

Что же это за наука? Если мы напишем такое “уравнение”: “геохимия = геология + химия”, оно, конечно, будет  справедливым, но только отчасти. Геохимию часто рассматривают как некоторую  гибридную научную область, возникшую  на границе геологии и химии.

Но это, пожалуй, слишком  приблизительное представление, хотя и ставшее общепринятым. Можно  даже высказать слегка крамольную мысль, что сам термин “геохимия”, возможно, возник, в частности, потому, что  в арсенале научных понятий не нашлось более подходящего. Он появился в последней четверти XIX в., и, скорее всего, его впервые употребил  один из первых профессиональных геохимиков - американский ученый - Ф. Кларк.

Кларк рассуждал так: каждая горная порода, любой минерал- своеобразная химическая система. Под действием  различных агентов в ней происходят различные химические изменения. В результате возникает система, более устойчивая. Предмет геохимии состоит в изучении этих изменений.

Выдающийся русский и  советский ученый В. И. Вернадский по праву считается одним из основателей  современной геохимии. В 1927 г. он так  расшифровал ее содержание: “Геохимия  научно изучает химические элементы, т.е. атомы земной коры и, насколько  возможно, всей планеты. Она изучает  их историю, их распределение и движение в пространстве-времени, их генетические на, нашей планете соотношения”.

Вот здесь уместно заметить, что мы вовсе не так хорошо знаем  планету Земля. Пожалуй, звездные миры и другие астрономические объекты  или строение и свойства атомных  ядер являются менее загадочными.

Одна из важнейших задач  геохимии — определение распространенности химических элементов в земной коре. С этих исследований во многом и  началась геохимия как наука. Важнейшие  задачи геохимии:

- Изучение распределения и перемещения элементов в различных частях Земли(коре, мантии, гидросфере и т. д.) для выяснения законов и причин неравномерного распределения элементов;

- Анализ распределения элементов и изотопов в космосе и на планетах Солнечной Системы (космохимия);

- Изучение процессов и веществ производимых живыми или вымершими организмами (биогеохимия);

- Поиск полезных ископаемых.

На сегодня геохимия заняла ведущее место среди наук о  земле. Она изучает глобальные перемещения  вещества и энергии во времени  и пространстве. Сбылось предсказание Вернадского, о центральной роли геохимии среди наук о веществе.

1. МИГРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ. ВИДЫ МИГРАЦИИ

Вещество на Земле не стоит  на месте – оно постоянно перемещается. Масштабы потоков поражают своей  грандиозностью. Так, за 1 минуту с поверхности  океана испаряется 40 млн.т воды! Чтобы  перевезти такую массу, не хватит всех цистерн, которые курсируют  по дорогам Украины и России. Потоки расплавленной магмы в земных недрах вызывают извержения вулканов, землетрясения, движение континентов. Потоки воды захватывают множество  веществ, перемещая их на огромные расстояния. Река Волга каждый год выносит  в Каспийское море около 50 тыс.т растворенных солей, а это не менее 10 ж/д составов.

Из-за различий в свойствах  веществ они перемещаются по планете  с различной скоростью, отличаются своей миграционной способностью. А  из-за неоднородности Земли миграционная способность одного и того же элемента неодинакова для разных областей.

Миграция химических элементов  – процесс переноса и природорасположения  химических элементов в геосистеме. Особенности этого процесса зависят  от свойств элемента (химической активности, способности образовывать растворимые  и нерастворимые соединения), свойств  и условий среды (температуры, давления, кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных  условий).

Миграционный поток веществ  – перемещение в окружающей среде, в том числе геологическом, химических элементов и их соединений  в  газообразном, растворенном и расплавленном, твердом состояниях.

Чтобы предсказать миграционную способность элемента, нужно знать  химические свойства его соединений и свойства среды, в которой он мигрирует.

Наиболее подвижная среда  – атмосфера (воздух): полное перемешивание  в ней происходит за 1-2 месяца. Но по этой «магистрали» могут передвигаться  те элементы, которые образуют летучие  соединения. Ряд элементов, например углерод, передвигается по несколько  менее «скоростной» биосфере (пронизывает  все слои Земли), т.е.последовательно  переходят от одних живых организмов к другим. Еще менее «быстрая» - гидросфера (природная вода во всех ее видах). У этой «магистрали» есть одна существенная особенность: она  ведет только в одну сторону –  в океан. Поэтому элементы,  неспособные  перемещаться через атмосферу (фосфор), накапливается в океане до тех  пор, пока в результате геологических  процессов не заработает самая «тихоходная  магистраль» - литосфера (земная твердь). В самой литосфере миграция практически  не возможна.

Элементы присутствуют в  окружающей среде не сами по себе, а  в виде соединений, которые называют химическими формами.

Виды миграций:

Механическая миграция

Физико-химическая миграция

Биогенная миграция.

Техногенная миграция.

2. ТЕХНОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

С появлением человека и  развитием человеческого общества появляется новый и самый сложный  вид миграции химических элементов  – техногенная миграция. Особенно быстро её роль возрастает последние  два столетия (с начала промышленной революции). При этом многократно  возрастает влияние техногенеза  на природные процессы, техногенная  нагрузка на природные системы, вплоть до биосферы в целом. Биосфера трансформируется и переходит в новое качество. В то же время люди до сих пор  плохо знают законы, которым подчиняется  техногенная миграция, механизмы  влияния этих процессов на природные  системы. Лишь в начале ХХ в. эти вопросы  были поставлены В.И. Вернадским, и им же заложены концептуальные подходы  к решению данного круга проблем. Но систематические исследования начались (и у нас, и за рубежом) только с 50-х годов ХХ в.

Концептуальная основа –  идея перехода биосферы в качественно  новое состояние: ноосферу (сферу разума).

Для характеристики техногенной  миграции и связанного с нею распределения  химических элементов на земной поверхности  используются понятия:

Техногенные ореолы рассеяния.

Техногенные аномалии (выделяются в депонирующих, т.е. накапливающих  средах и могут соответствовать  ореолам рассеяния). Могут быть не только вредными, но и полезными. Например, те, которые являются результатом  известкования кислых почв, что улучшает агрохимические свойства. Практикуется также непосредственное внесение дефицитных минеральных компонентов не в  среду, а непосредственно в пищу животных и человека (пищевые добавки).

Техногенные потоки рассеяния (выделяются в транзитных средах –  водах, воздухе, донных осадках водотоков).

Техногенные зоны выщелачивания. В большинстве связаны с выщелачиванием элементов из отвалов горнодобывающих  предприятий. В этих случаях с  ними могут быть связаны техногенные  потоки рассеяния и ореолы загрязнения  в сопряжённых ландшафтах, где  выщелоченные компоненты будут накапливаться. Нередко выщелачивание применяется  искусственно как технология извлечения минерального компонента из руд.

Техногенные геохимические  барьеры. Понятие двоякого употребления, что не очень удобно. С одной  стороны – так называют природные  барьеры, на которых концентрируются  элементы, попавшие в ландшафт в  результате техногенной миграции. С  другой – искусственно создаваемые  барьеры для локализации загрязнения. Например, известковые валы, служащие для осаждения элементов, переносимых  кислыми водами. Или искусственные  сорбционные барьеры.

В общем виде эти процессы сводятся к изъятию элементов  из одних ландшафтно-геохимических  систем, их переносу и поступлению  в другие ландшафтно-геохимические  системы, включая и накопление в  последних. Для этих процессов, как  и собственно в биосфере, используется, главным образом, преобразованная  солнечная энергия, причём формы  её использования более разнообразны. Широко используется в том числе  и солнечная энергия, аккумулированная в прошлые геологические эпохи (горючие полезные ископаемые). Используются и эндогенные источники энергии, в том числе и энергия радиоактивного распада, использование которой  в таких масштабах чуждо биосфере и возможные последствия её применения ясны ещё далеко не в полной мере.

Выделяется два геохимических типа процессов техногенной миграции. Миграция, унаследованная от биосферы, но техногенно изменённая. Это процессы, связанные с биологическим круговоротом, водной и воздушной миграцией элементов. Для их характеристики можно использовать те же понятия, которые разработаны применительно к процессам биогенной и физико-химической миграции.

Собственно техногенная  миграция в формах, чуждых биосфере. Производство веществ, не существующих в природе, использование атомной  энергии, перемещения вещества, подчиняющиеся  социальным законам. Здесь требуется  новый понятийный аппарат, который  сейчас находится в стадии разработки.

Один из важнейших геохимических  показателей техногенеза – технофильность химических элементов. Это отношение ежегодной добычи или производства элемента (в тоннах) к его кларку в литосфере. Таким образом, эта величина характеризует относительные масштабы извлечения элементы из природных сред в целях его промышленного использования человеком. При этом не учитываются параметры обратного выхода этих элементов из техногенного оборота, что делает показатель не вполне совершенным. То есть, в отличие от биофильности, этот показатель не является точным отражением концентрации элемента в продуктах техногенеза. (Ещё Вернадский отмечал, что абсолютная тенденция к концентрации на современном этапе ноосферогенеза характерна только для золота, остальные элементы в конечном счёте попадают в отходы производственной и бытовой деятельности и рассеиваются). Вторая особенность – динамичность показателя. В древности использовалось 18 элементов, в 18 веке – 28, к началу ХХ – около 70, а сейчас в техногенез вовлечены все известные элементы, плюс некоторые созданные искусственно элементы и изотопы. Развитие экономики и технологий приводит к постоянному изменению соотношения технофильности различных элементов. Сейчас наибольшая величина технофильности свойственна углероду, что характеризует интенсивность использования горючих полезных ископаемых. Высокие показатели – для фосфора, золота, свинца, цинка, меди. С другой стороны, низки величины технофильности для таких распространённых элементов, как магний, титан, и особенно – кремний. По существу это характеризует низкую степень использования этих элементов в техногенезе, что со временем, вероятно, изменится. Для кремния время этих изменений уже наступает в связи с началом внедрения керамики в качестве замены металлам и пластмассам (здесь лидирует Япония). В целом по мере развития науки и техники всё большей становится регулирующая роль кларка, так как богатые месторождения истощаются и со временем, видимо, человечество вынуждено будет перейти к извлечению элементов из пород, где их содержания ненамного отличаются от кларковых.

Для локализации загрязнения  окружающей среды предложено создавать техногенные геохимические барьеры (участки концентрации элементов, связанные с резким изменением геохимической среды). Сущность методов защиты окружающей среды от загрязнения с помощью геохимических барьеров заключается в переводе загрязняющих компонентов в малоподвижные формы. При этом возможно использование как существующих природных геохимических барьеров, так и целенаправленное создание техногенных барьеров. В качестве материалов для создания барьеров в зависимости от состава загрязнителей могут применяться природные образования (грунты, горные породы и т.д.) или иные вещества, например, производственные отходы. В ряде случаев локализация загрязнителей может осуществляться за счет учета природных геохимических особенностей грунтовой толщи при выборе участков складирования или сброса отходов. Опыт работы показал возможность использования барьеров в различных ситуациях.

До начала формирования ноосферы техногенных соединений, не имеющих  природных аналогов, практически  не было. Следовательно, не было и их миграций. Но даже по сравнению с 30-ми годами XX в. интенсивность миграции таких образований, в частности  пластмасс, возросла в миллион раз. Интенсивность миграции химических элементов, составляющих техногенные  образования, ранее существовавшие в природе, но только в рамках строго определенных внешних условий, в начальный период формирования ноосферы изменилась весьма значительно и в большинстве случаев только в пределах определенных участков биосферы. Так, интенсивность миграции Fе возросла в тысячи раз, цветных металлов – в миллионы, а рассеянных – в сотни миллионов.

Интенсивность миграции соединений химических элементов, имеющих природные аналоги, но производимых в больших количествах техногенным путем, изменялась мозаично и для биосферы в целом незначительно. Так, итоговая интенсивность миграции в биосфере возросла для оксидов С, S, N в 1,01...1,9 раза, однако в отдельных районах (например, СО2 в Центральном районе России) она увеличилась более чем в 100 раз. Проблемы, связанные с увеличением в атмосфере диоксида углерода техногенного происхождения и с влиянием этого процесса на ухудшение условий жизнедеятельности людей, в последнее время довольно часто упоминаются в научной и популярной литературе. Кратко рассмотрим некоторые из них.

Основная часть техногенного диоксида углерода (СO2) образуется при  полном сгорании угля, нефти, газа. Подсчеты показывают, что только за одни сутки  человечеством используется столько  органического топлива, сколько  живое вещество природы синтезирует  за тысячелетия. При этом уменьшается  безопасность жизнедеятельности последующих  поколений. Часть тепла рассеивается в биосфере. Пока техногенное тепловое загрязнение незначительно (в 25000 раз  меньше солнечной радиации). Однако в пределах селитебных ландшафтов техногенная  составляющая уже достигает 5% от солнечного излучения. При современном темпе  развития этого процесса в ближайшие 100...200 лет возможны существенные изменения  климата только за счет этого явления. Обычно в природных условиях существует подвижное равновесие между углекислым газом, поступающим от многочисленных природных источников (начиная от извержения вулканов и кончая продуктами дыхания животных), и СО₂, извлекаемым из атмосферы в результате различных процессов. К основным из них относятся образование карбонатных пород (преимущественно СаСО₃) и образование биомассы за счет процессов фотосинтеза.

С началом формирования ноосферы существовавшее природное равновесие стало нарушаться. Если природное  поступление СO₂ в атмосферу оценивается в 70 млрд т/год, то техногенная составляющая доходит до 15 млрд т/год. Следует вспомнить и то, что за последний век площади, занимаемые лесами на Земном шаре, сократились примерно вдвое. Следовательно, уменьшилось количество СО₂, поглощаемого растениями. В результате различных антропогенных процессов в начальный период формирования ноосферы концентрация в атмосферном воздухе СО₂ возросла с 0,029 % (начало XX в.) до 0,035 %, т.е. на 20 %, а за три предшествующих столетия она возросла всего на 25%. Возрастание количества углекислого газа в атмосфере может, по мнению ряда исследователей, привести к так называемому парниковому эффекту. Таким образом, техногенное увеличение интенсивности миграции и общего количества даже нетоксичного и широко распространенного в биосфере углекислого газа может вызвать последствия, влияющие на безопасность жизнедеятельности.

Водные растворы. Общее  количество (а следовательно, и итоговое изменение интенсивности миграции) водных растворов к началу формирования ноосферы практически не изменилось. В связи со строительством крупных  водохранилищ уменьшился объем вод, составляющих их расход в реках, но увеличился объем воды, мигрирующей  в виде пара, а частично в виде подземного стока.

Гораздо в большей мере изменилась интенсивность миграции растворенных веществ. Основные сбросы загрязненных вод в реки происходят из селитебных и промышленных ландшафтов. По данным А.Е. Воробьева, в водоемы  России за год попадают 1750 тыс. т  органических веществ, 100 тыс. т сероводорода, 77 тыс. т сероуглерода, 57 тыс. т нефтепродуктов, 23 тыс. т поверхностно-активных веществ. Всего неочищенных вод сбрасывается 8,5 км3, а не полностью очищенных  – 18,5 км3. В результате 60% пресных  поверхностных вод страны относится  к разряду загрязненных. Обычная  протяженность гидрохимических  аномалий в реках – 20...25 км. В пределах этих аномальных зон интенсивность  миграции макрокомпонентов (хлоридов, фосфатов, сульфатов, соединений азота  и др.) увеличивается в 1,1...100 n раз. Ассоциации металлов, образующих в  растворимой форме гидрогеохимические аномалии, представлены в основном Сu, Pb, Zn, Ni, Cr, Cd, Hg, As, Mo. Интенсивность  миграции этих элементов обычно возрастает в 1,1...20 раз. Однако около отдельных  предприятий, а чаще – ниже по течению  от рудников и обогатительных фабрик, в этой ассоциации появляются так  называемые приоритетные загрязнители. Интенсивность их миграции по отношению  к фону может изменяться в сотни  и тысячи раз. Иногда к приоритетным могут относиться и растворенные компоненты.

Газовые смеси. В период образования  ноосферы интенсивности миграции химических элементов, составляющих атмосферу, изменились незначительно, поскольку за последние 50...60 лет практически не изменилась общая масса атмосферы.

Изменение интенсивности  миграции кислорода в результате техногенеза связано с уменьшением  этого газа в атмосфере. В настоящее  время человечеством ежегодно извлекается  из атмосферы около 1013 кг свободного О2, переходящего в связанное состояние. Этот процесс, как и большинство  других техногенных процессов, крайне неравномерно охватывает поверхность  Земли. Больше всего кислорода потребляется в районах с крупными металлургическими  комбинатами. Так, его существенное уменьшение в атмосфере фиксировалось  в районе Темиртау (Казахстан), особенно в зимний период.

Наблюдается пока еще несущественное техногенное изменение концентрации водяного пара в атмосфере над  континентами, особенно в районах  крупных искусственных водохранилищ.

В условиях формирования ноосферы подавляющее большинство техногенных  источников органических соединений сконцентрировано в селитебных ландшафтах. В приземной  атмосфере над ними и на расстоянии первых километров с подветренной стороны  формируется своеобразное "облако" органических соединений.

Считается, что около 60% техногенных  углеводородов (без учета аварий) связано с автомобильным транспортом. Вторым по значению антропогенным загрязнителем  органическими соединениями можно  считать промышленное производство. Оно является источником этилена, пропилена, бутадиена, бензола, толуола, ксилола, метанола, которые используются для  получения свыше 40000 наименований других органических соединений.

До 6·108 т/год техногенных  органических веществ поступает  от социальных геохимических барьеров (зон складирования и захоронения  отходов) и из сельскохозяйственных периодически затопляемых ландшафтов (в основном рисовых чеков).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В начале формирования ноосферы интенсивность миграции органических веществ усилилась, но пока незначительно, примерно в 1,1...1,2 раза. Наибольшее увеличение интенсивности происходит в селитебных ландшафтах. Его последствия даже для растительных организмов очень  трудно прогнозируемы. Еще сложнее  сделать это для животных и  человека. Однако уже сейчас есть основания  считать, что многие заболевания (в  первую очередь аллергические) могут  быть связаны с увеличением интенсивности  миграции органических соединений.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Добровольский В.В. Основы биогеохимии: учебник. М.: Изд. Центр Академия, 2003. - 400 с.
2. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. М.: Логос, 2000. - 626 с.
3. Перельман А.И. Геохимия. – М.: Высшая школа, 1989.
4. Геохимические миграции. – М.: Просвещение, 1987.
5. Голубев И.А. Гетерогенные процессы… М. 1990.