ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Химический факультет
Кафедра безопасности жизнедеятельности в техносфере
Распределение тяжелых металлов в снежном покрове
на территории крупного промышленного центра.
На примере города Барнаула
(выпускная квалификационная работа)
Допустить к защите Зав. кафедрой, доц., к. ф.н., _______________________ "____" _____________ 2009 г. | Выполнил студент 5 курса, 644 группы _______________________ Научный руководитель к. х. н., доц. _______________________ |
Дипломная работа защищена "____" ______________2009 г. Оценка ___________________ Председатель ГАК д. т. н., профессор Мироненко _______________________ |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Химический факультет
Кафедра безопасности жизнедеятельности в техносфере
Утверждаю Декан химического факультета доктор хим. наук, профессор ___________ "____" _______________2009 г. | Утверждаю Заведующий кафедрой к. ф. н., доцент ___________ "____" _______________2009 г. |
ЗАДАНИЕ
на квалификационную работу студента
«Распределение тяжелых металлов в снежном покрове
на территории крупного промышленного центра на примере города Барнаула»
Срок сдачи студентом дипломной работы " ___" июня 2009 г.
Содержание дипломной работы:
1) Анализ литературных источников по теме
2) Приготовление фоновых и стандартных растворов.
3) Построение калибровочных зависимостей для определения ТМ оптическим методом.
4) Анализ реальных объектов на содержание ТМ.
5) Обработка и обсуждение результатов.
6) Оформление выпускной квалификационной работы.
Дата выдачи задания "_10_" _ноября_ 2008 г.
Студент ________________
Научный руководитель ________________
Содержание
Введение. 5
1 Тяжелые металлы как индикаторы состояния природных объектов. 7
1.1 Определение и классификация тяжелых металлов. 7
1.2 Формы нахождения тяжелых металлов в природных объектах. 9
1.3. Источники поступления тяжелых металлов в окружающую среду. 11
1.3.1 Точечные источники металлов. 11
1.3.2 Диффузные источники. 12
1.3.3 Цинк. 12
1.3.4 Свинец. 13
1.3.5 Медь. 14
1.3.6 Ртуть. 15
1.3.7 Мышьяк, селен. 15
2 Методика и техника эксперимента. 17
2.1 Инструментальные методы анализа ТМ.. 17
2.2- Атомно-абсорбционный метод. 18
2.3- Техника безопасности. 20
2.3.1- Общие положения. 20
2.3.2 - Техника безопасности при работе с веществами, используемыми в работе. 22
3 Количественное определение тяжелых металлов в снежном покрове на исследуемой территории. 25
3.1- Пробоотбор. 25
3.1.1 Отбор проб снега. 25
3.2- Пробоподготовка. 25
3.2.1- Озоление. 26
3.3 Определение свинца, цинка, меди, ртути, мышьяка, селена атомно-абсорбционным методом в твердой компоненте снежного покрова. 27
3.3.1 Градуировочный график. 29
3.3.3 Расчет концентрации ТМ... 29
3.4- Определение общих физико-химических показателей. 29
3.4.4- Определение рН в снеговой воде. 29
3.4.5- Определение окислительно - востановительного потенциала Eh в водной вытяжке и в снеговой воде. 30
3. 5 Обсуждение результатов и выводы.. 31
Выводы.. 35
Введение
Работа посвящена оценке эколого-химического состояния территории города Барнаула и его окрестностей по тяжелым металлам, основанная на пространственном распределении ряда тяжелых металлов в снежном покрове, для идентификации источников загрязнения.
Снежный покров выбран в качестве естественного индикатора – коллектора атмосферных загрязнений. Актуальность такого выбора определяется тем, что государственные службы систематически не исследуют химический состав снежного покрова. Снег при формировании эффективно сорбирует примеси из атмосферы и депонирует не только влажные выпадения атмосферы, но и сухие пылевые выбросы от техногенных источников и автомобильного транспорта. В период снегового паводка талые воды выступают активным мигрантом аэрозольных и водорастворимых форм токсикантов.
Как показывают наблюдения, концентрация загрязняющих веществ в снеге оказывается на 2-3 порядка выше, чем в атмосферном воздухе, поэтому измерения содержания веществ могут производиться достаточно простыми методами и с высокой степенью надёжности. Всего лишь один снеговой керн, взятый по всей толще снежного покрова, дает представительные данные о химическом загрязнении в период от образования устойчивого снежного покрова до момента отбора пробы (максимального снегозапаса) [18].
В качестве химических индикаторов состояния снежного покрова и наличия антропогенных загрязнений выбраны следующие микроэлементы: Zn, Pb, Cu, Hg, As, Se - т. к. они могут быть достоверно определены в снежной массе и не трансформируются в условиях таяния снега, а лишь перераспределяются в компоненты экосистем: почва, взвешенное вещество, донные осадки. Наиболее информативным компонентом в снежной массе служат твердые частицы, так называемые “particulate matter”, так как сорбируют наибольшее количество микроэлементов при формировании снежного покрова.
Цель настоящей работы: Оценить современное состояние снежного покрова вблизи влияния крупного промышленного центра по распределению микроэлементов: Zn, Pb, Cu, Hg, As, Se.
При выполнении работы решены следующие задачи:
- в соответствии с требованиями международных стандартов выполнить отбор образцов снега в период максимального снегозапаса, подготовить аналитические образцы твердой компоненты снежной массы
- проанализировать минерализаты частиц снега на содержание выбранных микроэлементов
- обработать полученные результаты в моделирующей программе Surfer 8.0 – построить пространственные распределения на исследуемой территории.
- Идентифицировать источники антропогенного загрязнения исследуемой территории, оценить ее современное экологическое состояние.
1 Тяжелые металлы как индикаторы состояния природных объектов
1.1 Определение и классификация тяжелых металлов
Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.
Термин тяжелые металлы, характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).
В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 элементов периодической системы с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н. Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3 [46].
Формально определению тяжелые металлы соответствует большое количество элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием и загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов далеко не равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ. Так, в ставших уже классическими работах в перечне химических веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях в биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы поименованы Pb, Hg, Cd, As. С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым металлам. По определению Н. Реймерса отдельно от тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn [37].
Санитарно - токсикологические нормативы по токсичности подразделяют элементы на три класса:
1. Cd, As, Hg, Pb, Se, Zn (особотоксичние)
2. B, Co, Cu, Mo, Ni, Sb, Cr (токсичные);
3. Ba, V, W, Mn, Sr (слаботоксичные).
По данным деление элементов по токсичности в осадках предполагает три группы:
1. B, Be, V, W, Cd, Co, Cu, As, Ni, Hg, Se, Ag (высоко - и среднетоксичные);
2. Ba, Sc редкоземельные металлы (низкотоксичные);
3. Al, Fe, К, Ca, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Pb, Sr, Cs (нетоксичные) [45].
Как отечественные, так и зарубежные источники информации весьма однозначны в выявлении ряда наиболее токсичных элементов: Hg > Cd > Cu > Pb > As > Zn > Se > Cr.
Причем токсичное действие элемента в среде обитания определяется внешними условиями, формой существования, распределению в органы (ткани) организма и влиянию на биологическое разнообразие с учетом физиологических и генетических особенностей популяции.
1.2 Формы нахождения тяжелых металлов в природных объектах
В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной элементной форме (ртуть). При этом аэрозоли свинца, кадмия, меди и цинка состоят преимущественно из субмикронных частиц диаметром 0,5-1 мкм, а аэрозоли никеля и кобальта - из крупнодисперсных частиц (более 1 мкм), которые образуются в основном при сжигании дизельного топлива. [24].
В водных средах металлы присутствуют в трех формах: взвешенные частицы, коллоидные частицы и растворенные соединения. Последние представлены свободными ионами и растворимыми комплексными соединениями с органическими (гуминовые и фульвокислоты) и неорганическими (галогениды, сульфаты, фосфаты, карбонаты) лигандами. Большое влияние на содержание этих элементов в воде оказывает гидролиз, во многом определяющий форму нахождения элемента в водных средах.
Несмотря на существование истинно растворенных и коллоидных форм металлов наибольший вклад в химический баланс стока рек по металлам вносит именно твердый сток [36]. В монографии [25] главными носителями химических веществ и металлов в составе речных взвесей выделены высокодисперсные (от 0,1 до 1…2 мкм) частицы взвеси и крупные обломочные частицы минералов с размером ( от 2…3 до 10 мкм). Роль взвешенных форм элементов как химических индикаторов иллюстрирует таблица 1 Соотношение между растворенным в воде и связанным со взвесью содержанием элемента определяется, во-первых, физико-химической природой самого элемента, во-вторых, внешними гидролого-гидрохимическими условиями на границе микрофазы ВВ и дисперсионной водной среды [8].
Таблица 1- Вынос химических элементов с твердым речным стоком рек [25]
Элемент | Концентрация, мкг/л [22] | Объем стока, млн т/год | Вклад взвесей, % | |
Взвесь | Вода | |||
Si | 117000 | 4797 | 234,0 | 95,4 |
Al | 38200 | 1566 | 3,0 | 99,8 |
Fe | 23500 | 963,0 | 28,0 | 97 |
Ca | 11500 | 471,5 | 533,0 | 47 |
K | 6900 | 282,9 | 61,5 | 82 |
Mg | 5750 | 235,8 | 135,3 | 64 |
Na | 4600 | 188,6 | 184,5 | 50 |
P | 510 | 20,9 | 0,83 | 96 |
Mn | 500 | 20,5 | 0,40 | 98 |
Ba | 280 | 11,5 | 1,00 | 92 |
Zn | 143 | 5,86 | 0,82 | 88 |
Pb | 69 | 2,83 | 0,04 | 99 |
Cr | 60 | 2,46 | 0,04 | 98 |
Ni | 39 | 1,58 | 0,12 | 93 |
Cu | 37 | 1,5 | 0,31 | 83 |
Co | 8,3 | 0,34 | 0,01 | 97 |
As | 2,3 | 0,094 | 0,082 | 53 |
Mo | 1,4 | 0,057 | 0,037 | 61 |
Cd | 0,32 | 0,013 | 0,009 | 60 |
Сорбция тяжелых металлов донными отложениями зависит от особенностей состава последних и содержания органических веществ. В конечном итоге тяжелые металлы в водных экосистемах концентрируются в донных отложениях и биоте.
В почвах тяжелые металлы содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы, как правило, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическим комплексными соединениями. Кроме того, ионы тяжелых металлов могут быть связаны с минералами как часть кристаллической решетки [41].
1.3. Источники поступления тяжелых металлов в окружающую среду
1.3.1 Точечные источники металлов
Одной из ранних публикаций по типам источников следует упомянуть монографию [12], в которой авторы дифференцируют типы химических нагрузок по способу формирования:
-точечные источники, которые достаточно стабильны по потоку и количеству и имеют диапазон вариабельности величин выходных параметров в пределах одного порядка. В аналитическом обзоре [38] уточняется, что количество сбрасываемых таким источником загрязнений не связано (либо связано чрезвычайно слабо) с метеопараметрами. Точечные источники идентифицируются точками, имеющими определенные географические координаты. Примерами такого типа источников могут быть сточная труба завода, выброс тепловой станции в атмосферу, река, впадающая в море и т. д. Дымовая (сточная) труба характеризуется масштабом выброса (стока), то есть объемом газа (жидкости) с определенными малыми концентрациями загрязнителей. Причем, этот объем <V> поступает в окружающую среду равномерно в течение какого-то времени t, либо периодически (во время работы предприятия). Сточная труба характеризуется определенными расходными характеристиками: скоростью течения U жидкости через поперечное сечение F, которые определяют величину расхода
Q = U×F
Изменчивость стока требует усреднения и интегрирования величин. Объем сточной воды за время ∆t = t2 – t1
t1
V = ∫Q∙dt
t2
интегрирует мгновенные (частные) расходы воды за данный период. Если при этом проводится контроль текущих концентраций i-того химического вещества, то вычисляют среднюю концентрацию < C > и приводят общую массу загрязнителя M на водоем (водоток) или, в более общем случае, массовую химическую нагрузку L (load) [38], [10]
L = M = <C>∙<V>
Достоверность учета массовых нагрузок на водоток связана не только с химическим методом анализа веществ, но, в большей мере, с неконтролируемым стоком сточных вод. В этой связи идентификация источников загрязнений аналитическими методами имеет решающее значение в получении современных оценок экологического состояния экосистем.
1.3.2 Диффузные источники
Рассредоточенное химическое загрязнение авторы [12] определяют как результат влияния диффузных источников, которые более динамичны по интервалам рандомизации, их вариабельности выходных параметров часто более, чем на несколько порядков. Величина загрязнения от таких источников тесно связана с метеорологическими изменениями осадков (выпадений). В противоположность точечным, диффузные (неточечные) идентифицируются как поток вещества с подстилающей поверхности. Наиболее характерным примером диффузного загрязнения водоемов является территория водосборного бассейна, трансграничный перенос веществ в атмосфере от региона с избыточным региональным фоном элемента (вещества).
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 |
