Тяжелые металлы в воде работа

Обновлено: 20.09.2024

Определение содержания тяжелых металлов в водных объектах

Цель работы:

изучить влияние тяжелых металлов на компоненты экологической системы;
ознакомиться с принципом проведения спектральных методов анализа;
провести качественный и количественный анализ проб воды.

Введение

Среди многих негативных последствий хозяйственной деятельности человека особое место занимает загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами. Многие тяжелые металлы являются чрезвычайно токсичными даже в следовых количествах. Они способны концентрироваться в живых организмах, вызывая при этом различные патологии развития. В отличие от органических веществ, подвергающихся процессам разложения, металлы способны лишь перераспределяться между природными средами.

Роль многих химических элементов двойственна: с одной стороны, они необходимы для нормального протекания физиологических процессов, являясь катализаторами многих реакций, и при нормальной концентрации или дефиците элемент относят к микроэлементам; с другой стороны, концентрация элемента может быть избыточной и даже токсичной, тогда этот элемент называют «тяжелым металлом».

Наибольшую опасность для человека и живой природы представляют подвижные формы металлов, поскольку они характеризуются высокой биологической активностью.

Тяжёлые металлы — группа химических элементов со свойствами металлов (в том числе и полуметаллы) и значительным атомным весом (более 40) либо плотностью, представляющие опасность для живых организмов.

Термин тяжелые металлы чаще всего рассматривается не с химической, а с медицинской и природоохранной точек зрения. Таким образом, при включении элементов в категорию «тяжелые металлы» учитываются не только химические и физические свойства элемента, но и его биологическая активность и токсичность, а также объем использования в хозяйственной деятельности.

Многие тяжелые металлы, такие как железо, медь, цинк, молибден, участвуют в биологических процессах и в определенных количествах являются необходимыми для функционирования растений, животных и человека микроэлементами. С другой стороны, тяжелые металлы и их соединения могут оказывать вредное воздействие на организм человека, способны накапливаться в тканях, вызывая ряд заболеваний. Не имеющие полезной роли в биологических процессах металлы, такие как свинец и ртуть, определяются как токсичные металлы. Некоторые элементы, такие как ванадий или кадмий, обычно имеющие токсичное влияние на живые организмы, могут быть полезны для некоторых видов.

К тяжелым металлам относят более 40 элементов периодической системы Д. И. Менделеева.

Наиболее опасны с точки зрения токсичности и биологической активности соединения ртути, свинца, кадмия и мышьяка.

Источники поступления тяжелых металлов в окружающую среду и в организм человека

Поступление тяжелых металлов в окружающую среду имеет как естественное (например, вулканические извержения: кадмий обнаружили в продуктах извержения вулкана Этна на острове Сицилия), так и техногенное происхождение.

Главными антропогенными источниками поступления тяжелых металлов в атмосферу являются промышленность (предприятия цветной металлургии, нефтепереработки, химическая промышленность и др.), автомобильный транспорт и сельское хозяйство. Часть техногенных выбросов, поступающих в природную среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значительные расстояния и вызывает глобальное загрязнение.

В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а ртуть – в основном в элементарном состоянии. Находящиеся в воздухе металлы и их соединения вымываются атмосферными осадками или оседают естественным путем на поверхности почв и растений.

В водных средах тяжелые металлы могут присутствовать в виде коллоидных или взвешенных частиц, а также в растворенном состоянии в виде свободных ионов или комплексных соединений. В водные среды металлы попадают с атмосферными осадками, за счет вымывания из почв (естественные процессы), а также вместе со сточными водами предприятий и ливневой канализации. Формы миграции тяжелых металлов в природных подземных и поверхностных водах определяются геохимическим типом вод, а также их кислотно-щелочными характеристиками. В кислых и нейтральных водах металлы присутствуют в основном в виде акватированных ионов, в щелочных — в виде гидроксокомплексов, карбонатов, органических комплексов.

Попадание металла-токсиканта в живые организмы может происходить и путем аэрозольного переноса, но все же более распространенный путь — с водой и пищей, особенно консервированной в металлической таре. Попав в организм, металлы-токсиканты чаще всего не подвергаются каким-либо существенным превращениям, как это происходит с органическими токсикантами, и, включившись в биохимический цикл, они крайне медленно покидают его.

Биологическая роль и токсикологическое влияние тяжелых металлов

В настоящее время из 92 встречающихся в природе 81 элемент обнаружен в организме человека. При этом 15 элементов (Fе, I, Сu, Zn, Cо, Сr, Мо, Ni, V, Sе, Мn, Аs, F, Si, Li) признаны жизненно необходимыми. Однако они могут оказывать отрицательное влияние на растения, животных и человека, если концентрация их доступных форм превышает определенные пределы. Сd, Рb, Sn и Rb считаются условно необходимыми, т.к. они, по всей видимости, не очень важны для растений и животных и опасны для здоровья человека даже при относительно низких концентрациях.

Все тяжелые металлы можно подразделить на три класса опасности:

I класс – мышьяк, кадмий, ртуть, свинец, бериллий, цинк, селен, а также все радиоактивные металлы;

II класс – кобальт, хром, медь, молибден, никель, сурьма;

III класс – ванадий, барий, вольфрам, марганец, стронций.

В природные воды мышьяк поступает из минеральных источников, районов мышьяковистого оруднения, а также из зон окисления пород полиметаллического, медно-кобальтового и вольфрамового типов. Некоторое количество мышьяка поступает из почв, а также в результате разложения растительных и животных организмов. Потребление мышьяка водными организмами является одной из причин понижения концентрации его в воде, наиболее отчетливо проявляющегося в период интенсивного развития планктона.

Значительные количества мышьяка поступают в водные объекты со сточными водами обогатительных фабрик, отходами производства красителей, кожевенных заводов и предприятий, производящих пестициды, а также с сельскохозяйственных угодий, на которых применяются пестициды.

Соединения мышьяка в повышенных концентрациях являются токсичными для организма животных и человека: они тормозят окислительные процессы, угнетают снабжение кислородом органов и тканей.

В поверхностные воды соединения ртути могут поступать в результате выщелачивания пород в районе ртутных месторождений, в процессе разложения водных организмов, накапливающих ртуть. Значительные количества поступающих в водные объекты со сточными водами предприятий, производящих красители, пестициды, фармацевтические препараты, некоторые взрывчатые вещества. Тепловые электростанции, работающие на угле, выбрасывают в атмосферу значительные количества соединений ртути, которые в результате мокрых и сухих выпадений попадают в водные объекты. В водных объектах в результате бактериальных процессов происходит метилирование ртути с образованием метилртутных соединений, которые во много раз токсичнее минеральных солей ртути. Метилртутные соединения накапливаются в планктоне, рыбе и могут попадать в организм человека.

Соединения ртути высоко токсичны. Они поражают нервную систему человека, вызывают изменения со стороны слизистой оболочки, нарушение двигательной функции и секреции желудочно-кишечного тракта, изменения в крови и др.

Естественными источниками поступления свинца в поверхностные воды являются процессы растворения эндогенных (галенит) и экзогенных (англезит, церуссит и др.) минералов. 75 % свинца поступают в окружающую среду с выхлопами автотранспорта. Значительное повышение содержания свинца в окружающей среде (в том числе и в поверхностных водах) связано со сжиганием угля, применением тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора в моторном топливе, с выносом руд обогатительных фабрик, металлургических заводов, химических производств, шахт и т. д.

Свинец — промышленный яд, способный при неблагоприятных условиях оказаться причиной отравления. В организм человека проникает главным образом через органы дыхания и пищеварения. Удаляется из организма очень медленно, вследствие чего накапливается в костях, печени и почках, влияет на нервную систему и органы кровообращения. Пожилые люди и дети особенно чувствительны даже к низким дозам свинца, при этом у них может развиваться слабоумие, выражающееся в снижении памяти, концентрации внимания, восприятия нового материала.

В природные воды поступает при выщелачивании почв, полиметаллических и медных руд, в результате разложения водных организмов, способных накапливать кадмий. Соединения кадмия выносятся в поверхностные воды со сточными водами свинцово-цинковых заводов, рудообогатительных фабрик, ряда химических предприятий (производство серной кислоты), гальванического производства, а также с шахтными водами.

В последнее время количество кадмия в окружающей среде увеличилось, что связано с увеличением парка дизельных автомобилей.

Хроническое воздействие кадмия на человека приводит к нарушениям почечной функции, легочной недостаточности, остеомаляции, анемии и потере обоняния.

Существуют данные о возможном канцерогенном эффекте кадмия и о вероятном участии его в развитии сердечно-сосудистых заболеваний. Наиболее тяжелой формой хронического отравления кадмием является болезнь итай-итай, характеризующаяся деформацией скелета с заметным уменьшением роста, поясничными болями, болезненными явлениями в мышцах ног. Кроме того, отмечаются частые переломы размягченных костей даже при кашле, а также нарушение функции поджелудочной железы, изменения в желудочно-кишечном тракте, гипохромная анемия, дисфункция почек и др.

Попадает в природные воды в результате протекающих в природе процессов разрушения и растворения горных пород и минералов, а также со сточными водами рудообогатительных фабрик и гальванических цехов, производств пергаментной бумаги, минеральных красок, вискозного волокна и др.

Цинк относится к числу активных микроэлементов, влияющих на рост и нормальное развитие организмов. В то же время многие соединения цинка токсичны, прежде всего его сульфат и хлорид. Повышенные концентрации цинка оказывают токсическое влияние на живые организмы. У человека они вызывают тошноту, рвоту, дыхательную недостаточность, фиброз легких.

Спектральные методы анализа

Определение тяжелых металлов в природных средах осуществляют с помощью методов спектрометрии.

Спектральные методы анализа являются наиболее распространенными способами исследования качественного и количественного состава загрязненной воды.

Инфракрасная, ультрафиолетовая, рентгенофлуоресцентная спектроскопия, лазерные и другие методы позволяют определить множество микропримесей в воде. Эти методы основаны на избирательном поглощении излучений конкретной длины волны определенными атомами и молекулами или возбуждении атомов с целью получения их характеристики излучений. К числу наиболее чувствительных методов определения примесей относится люминесцентный, который основан на возбуждении атомов контролируемых растворов с помощью рентгеновского или лазерного облучения и последующем измерении длины волны, излучаемой возбужденными компонентами.

Электромагнитный спектр

Спектры электромагнитного излучения, испускаемого, поглощаемого и рассеиваемого веществом, изучает раздел физики — спектроскопия. Квант поглощаемой или испускаемой веществом энергии соответствует изменению энергии при каком-либо единичном акте атомного или молекулярного процесса.

Рентгеновская спектроскопия

Рентгеновское излучение возникает за счет квантовых переходов внутренних электронов атомов на более высокий энергетический уровень. Последнее становится возможным в результате дополнительного облучения вещества потоком электронов высокой энергии или жестким рентгеновским излучением. На освободившиеся орбитали переходят электроны из более далеких от ядра слоев, что и сопровождается выделением квантов рентгеновского излучения.

Поскольку квантовые переходы электронов в атомах разных элементов отличаются от энергии, рентгеновское излучение зависит от строения атома. Эту зависимость выражает закон Мозли.

Английский физик Мозли в 1913 г. установил связь длины волны линий рентгеновского спектра с атомным номером возбуждаемого элемента.

Закон Мозли позволяет установить однозначную связь между измеренными длинами волн (энергиями) линий и атомными номерами элементов, и поэтому он лежит в основе качественного рентгенофлуорисцентного анализа (РФА).

Открытие этой зависимости сыграло важную роль при выяснении строения атома (в частности, подтвердило его слоистое строение), позволило определить экспериментально атомный номер элемента и подтвердило правильность расположения элементов в периодической системе Д. И. Менделеева (приложение Б).

Основной принцип рентгено-флуоресцентного анализа (РФА). Рентгено-флуоресцентный анализ

При РФА первичное рентгеновское излучение, чаще всего получаемое с помощью рентгеновской трубки R, падает на анализируемый образец Р (рис. 1.1)

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема РФА:

1 – первичное рентгеновское излучение; 2 – вторичное рентгеновское излучение ( λi, Ii); 3 – спектрометр

В результате этого взаимодействия образец излучает вторичное рентгеновское излучение, которое является характерным для химического состава образца. Содержащиеся в образце атомы типа Zi (Z – порядковый номер элемента) излучают компоненты с типичными для них длинами волн λi. Атомы Zi в концентрации Сi оказывают пропорциональное влияние на интенсивность Ii этих компонентов во втором излучении. Величины λi и I i фиксируют с помощью спектрометра и затем проводят качественный (Zi) и количественный (Сi) элементный анализ.

Термин «рентгено-флуоресцентный анализ» для описанного метода физически обоснован, так как используемое для анализа образца и излучаемое им характеристическое рентгеновское излучение возбуждается другим, внешним рентгеновским излучением (явление флуоресценции).

Спектрометр рентгеновский сканирующий кристалл-дифракционный портативный «Спектроскан»

«Спектроскан» — современный спектрометр с широкими аналитическими возможностями, предназначенный для определения содержания химических элементов в диапазоне от Sс21 до U92 в порошковых и монолитных пробах, жидкостях, а также для определения состава и толщин покрытий.

Принцип действия спектрометра основан на возбуждении рентгеновской флуоресценции контролируемых элементов излучением рентгеновской трубки малой мощности с последующим анализом вторичного характеристического излучения. По интенсивности аналитических линий путем пересчета может быть определена концентрация содержащихся в образце химических элементов.

Диапазон определения концентраций химических элементов составляет от сотых долей % до 100 %.

Спектрометр функционирует в комплексе с персональным компьютером. Программное обеспечение позволяет производить качественный и количественный анализ разнообразных материалов.

Спектрометр может быть использован в различных областях народного хозяйства:

в промышленности для определения элементного состава различных продуктов производства, для управления технологическими процессами;
черной и цветной металлургии для контроля состава

горнодобывающей и горнообогатительной промышлённости для управления процессом добычи и обогащения руд;
геологии и геохимии для поиска и разведки полезных ископаемых;
в машиностроении и авиации для контроля ресурсов двигателем;
в сельском хозяйстве для определения содержания микроэлементов в кормах и почвах;
в экологических исследованиях промышленных выбросов, определения содержания тяжелых металлов в атмосфере, почвах и водоемах;
в искусствоведении для датировки и определения подлинности произведения искусства;
в прикладных научных исследованиях для целей спектрального анализа образцов и т. д.

Порядок подготовки проб и изготовления контрольных образцов

При рентгеноспектральном анализе растворов интенсивность аналитических линий можно регистрировать или непосредственно от жидкой пробы, или от приготовленного из нее сухого излучателя. Первый способ наиболее простой.

Анализируемые пробы наливаются в кюветы из коррозионностойкой стали или пластмассы. Для предохранения кювет от разрушения их внутренние стенки покрывают парафином или воском. Кюветы закрываются специальной тонкой органической пленкой (устойчивые к рентгеновскому излучению материалы). Допускается перенос растворов па фильтровальную бумагу, которая после высушивания служит излучателем.

При определении малых концентраций раствор выпаривают и затем проводят анализ получаемой выпарки.

В качестве анализируемых растворов используют пробы воды, где концентрации тяжелых элементов достаточно высоки для проведения эксперимента непосредственно в жидкой фазе.

Анализ спектрограмм

В результате работы «Спектроскана» получают спектрограммы, с помощью которых определяются элементный состав и концентрация тяжелых металлов в пробах.

Качественный анализ

Качественный анализ заключается в определении элементного состава пробы. Параметр, который характеризует наличие элемента в пробе, — длина волны λ основного и вспомогательного пиков.

На рисунке 1.2 приведен пример спектрограммы. На спектрограмме три химических элемента представлены шестью пиками. Каждый элемент имеет два пика: вспомогательный (малый) и основной (большой). Проецируя вершину пика на ось абсцисс, определяются длины волн для каждого пика λ: 1060 мА (вспомогательный пик), 1180 мА (основной пик), 1390 мА, 1540 мА , 1760 мА и 1940 мА.

Для определения возможных элементов используют стандартную шкалу характеристических линий в диапазоне ±20 мА (табл. 1.1). Методом исключения определяется, что данные длины волн соответствуют трем элементам: As (мышьяк), Cu (медь), Fe (железо).

Каков вред тяжелых металлов в воде?

Периодическая система Д. И. Менделеева – один из наглядных способов показать многообразие формирующих мироздание «кирпичиков», каждый из которых нужен для поддержания гармоничного равновесия общей конструкции. Любой из химических элементов независимо от степени распространенности в природе – необходим, даже если его роль до конца не ясна современным ученым.

Присутствие так называемых тяжелых металлов в питьевой воде, воздухе, пище, природных или искусственно созданных материалах – столь же значимо для живых существ, как дождь, солнце, кислород и твердь под ногами. Каждый элемент группы в строго определенных количествах важен для нормального функционирования организма человека, участвуя в химических реакциях, микробиологических процессах, входя в состав ферментов, гормонов и других веществ. Только при превышении пороговых значений полезные микроэлементы становятся токсичными и причисляются к обширной категории опасных для здоровья ксенобиотиков – нарушающих течение естественных биологических процессов веществ.

Какие металлы называют тяжелыми

Наиболее общее определение относит к данной группе элементы таблицы Менделеева с металлическими свойствами и большим молекулярным весом. Более четкий критерий – относительная атомная масса выше 50, согласно которому в перечень входят все металлы, начиная с ванадия. Другой пороговый показатель – плотность, равная или превышающая удельный вес железа (7,8 г/см 3 ).

Каждый из методов классификации обладает своими недостатками, исключая из рассматриваемой категории очевидные (олово, марганец) или предлагая сомнительных (мышьяк, висмут) представителей. В водоочистке, которая призвана минимизировать воздействие вредных примесей, используют не строго химический или физический аспект определения, но более – медицинский, токсикологический и природоохранный. Это также связано с общностью методов очистки воды от тяжелых металлов и причисленных к ним элементов.

Причины и пути попадания в водозаборы

Ксенобиотики подстерегают людей повсюду: в воздухе, почве, пище, косметических средствах. Но именно вода, будучи универсальным растворителем, содержит наиболее полный перечень потенциально опасных веществ. Идеально чистых источников попросту не бывает, а регулярный контакт с ней при питье, гигиенических процедурах, приготовлении пищи делает этот путь наиболее вероятным для получения критических доз токсичных элементов.

Путей загрязнения воды тяжелыми металлами два. Естественным образом это происходит при растворении входящих в состав горных пород минералов пластовыми водами, а также путем переноса талыми или дождевыми потоками частиц подверженной естественной эрозии почвы. Часть вредных примесей попадает в поверхностные и подземные источники из запыленного воздуха с дождем или снегом.

Второй фактор загрязнения связан с деятельностью человека. Его значимость резко возросла с увеличением горнодобычи, ростом промышленного производства, интенсификацией сельскохозяйственной деятельности.

Основными загрязнителями выступают:

добыча и переработка нефтепродуктов;
горнодобывающие предприятия;
тепловые электростанции;
металлургические комбинаты;
гальванические и электротехнические предприятия;
заводы по производству пластмасс, красок, композитных материалов;
комбинаты по выпуску сельхозудобрений;
полигоны захоронения бытовых и промышленных отходов.

Недостаточная очистка сточных вод, а также смыв с сельхозугодий делает поверхностные водоемы самыми проблематичными для использования. Но при нарушении естественных водоупорных горизонтов загрязнения могут достичь и скважинных водозаборов.

Вред тяжелых металлов для человека

Одна из опасностей ксенобиотиков – плохая выводимость из организма. Накапливаясь со временем в жизненно важных органах или тканях, токсичные элементы вызывают серьезные расстройства отдельных функций или всего организма в целом. Известно, что они негативно влияют не только на физиологию, но также на эмоционально-психологическое состояние. Болезни, вызываемые превышением допустимых концентраций тяжелых металлов, достаточно серьезны.

Ртуть – провоцирует общее отравление организма, которое выражается ухудшением памяти, слуха, нарушением координации. При воздействии паров концентрируется в мозге. Накапливаясь в почках, нарушает работу этих органов.
Свинец – воздействует на нервную систему, вызывая головные боли, ослабление внимания и головокружения. Особенно остро проявляется у детей, ведет к замедлению умственного развития. Негативно влияет на сердечно-сосудистую систему, работу ЖКТ.
Медь – вызывает язвенную болезнь, гастрит, нарушения работы почек, печени, ЦНС, снижает иммунный ответ организма.
Кадмий – приводит к заболеваниям костной системы, сопровождаемых ломкостью, искривлением и хрупкостью костей. Будучи канцерогеном, приводит к раку прямой кишки и легких.
Кобальт – при чрезмерных концентрациях вызывает заболевание щитовидной железы, приводит к сердечной недостаточности и бронхиальной астме.
Никель – чреват аллергическими реакциями, повышенной возбудимостью нервной системы.
Цинк – снижает иммунитет, способен вызвать бесплодие, также является канцерогеном.

Повышенное содержание тяжелых металлов особенно негативно влияет на детей, приводя к задержке умственного и физического развития. Вероятность заболеваний велика при длительном употреблении загрязненной ксенобиотиками воды.

Допустимое содержание в питьевой воде

Предельные величины присутствия опасных примесей жестко регламентировано нормативными документами. Действующим СанПиН 2.1.4.1074-01 установлены следующие ПДК тяжелых металлов в воде (мг/л):

Барий – 0,1;
Бериллий – 0,0002;
Ванадий – 0,1;
Ртуть – 0,0005;
Висмут – 0,1;
Кадмий – 0,001;
Кобальт – 0,1;
Молибден – 0,25;
Медь – 1,0;
Мышьяк – 0,05;
Никель – 0,1;
Свинец – 0,03;
Стронций – 7,0;
Хром – 0,5;
Цинк – 5,0.

При централизованном водообеспечении контроль всех этих параметров излишен, за исключением некоторых регионов, где отмечаются превышения по ряду показателей. В случае автономного водоснабжения из поверхностных или подземных источников, которые чаще всего загрязняются содержащими тяжелые металлы соединениями, обязательно проведение расширенного химанализа в сертифицированной лаборатории. Визуально даже проба с аномально высокими концентрациями ксенобиотиков может выглядеть кристально чистой. Для определения же технологии и состава системы автономной водоочистки необходимы точные характеристики исходной воды.

Методы очистки воды от тяжелых металлов

Удаление из жидкости присутствующих в форме солей или сложных органических веществ загрязнений выполняется несколькими способами. Ионный обмен эффективен для удаления тяжелых ионов, которые замещаются другими, входящими в состав специальных обменных смол, но избирателен. Подбор ионообменных материалов при проектировании систем водоочистки выполняется индивидуально на основании результатов химанализа, процесс нацелен на удаление определенных загрязняющих компонентов. Методы безнапорной и напорной аэрации – окисления кислородом воздуха – разработаны для удаления железа и марганца.

Широкий спектр действия характерен для обратноосмотических установок, фильтрующих из воды любые примеси, чей размер превышает величину ячейки мембраны. Способ универсален, но стоимость очистки выше. Реже используется еще более затратная технология электродиализа, при которой на противоположно заряженных мембранах раздельно осаждаются положительные и отрицательные ионы.

Достойная альтернатива традиционным методам – применение ПГС-полимеров, выполняющих механическую, сорбционную и ионообменную фильтрацию одновременно. Компанией «Гейзер» разработан уникальный материал «Арагон», который используется в бытовых фильтрах для воды. Он выполняет комплексную очистку, устраняя загрязнение воды тяжелыми металлами, радионуклидами, избыточными солями жесткости и органикой.

К технологиям широкого спектра относится и фильтроматериал «Каталон». Это – ионообменный волокнистый материал, он обеспечивает удаление до 90–97% тяжелых металлов при сохранении естественного минерального состава воды.

«Каталон» обладает не только не только хелатными свойствами (выборочное удаление катионов тяжелых металлов), но и амфолитными. Благодаря этому материал очищает воду не только от катионов: меди, кадмия, свинца, но и анионов: органические примесей, хлорорганические соединений, железобактерий и коллоидного железа. Технология используется в бытовых системах водоподготовки, в том числе в сменных картриджах фильтров-кувшинов.

Закажите консультацию специалиста компании Гейзер

Остались вопросы? Мы всегда готовы предоставить консультацию по всем вопросам очистки воды!

Очистка воды от тяжелых металлов

Вода это лучший существующий растворитель, и в природе практически не встречается чистая, полностью не включающая примесей вода.

Даже дождевая вода содержит малые количества примесей, которые она впитывает из воздуха, будь то растворенные газы или микроскопические частицы пыли.

В природной воде содержится большое количество примесей различной природы: газы, соли тяжелых металлов, галогены, органические вещества, сложные химические вещества природного и антропогенного происхождения, микроорганизмы, простейшие.

Вещества, которые имеют высокую токсичность и попадающие в организм человека с пищей, водой, воздухом, через кожу называют общим словом ксенобиотики.

Токсичность - способность вещества нанести вред организму.

Почти любое вещество может быть токсичным, безвредным, а в определенных случаях полезным.

Роль некоторых элементов из периодической таблицы химических элементов Менделеева пока не выяснены, однако с влиянием на человеческий организм большинства веществ ученым более или менее все понятно.

Главное количество вещества попадающего в организм человека в единицу времени, частота употребления, путь поступления.

Многие вещества, которые необходимо удалять в процессе водоподготовки из питьевой и технической воды в микроскопических дозах входят в состав гормонов, ферментов, принимают участие во многих микробиологических процессах происходящих внутри живого организма в процессе его жизнедеятельности.

Более 40 металлов периодической системы с атомным весом свыше 50 атомарных единиц к группе потенциально опасных веществ.

Исключению подлежат свинец, кадмий, висмут и ртуть, чья роль в происходящих биологических процессах в белковых организмах пока не ясна ученым.

Такие металлы называют тяжелыми металлами в воде.

В отрасли водоочистки и водоподготовки к тяжелым металлам в питьевой воде относят и вещества, которые строго говоря, к ним не относятся, например висмут или мышьяк.

Это происходит потому, что у этих веществ высокая токсичность даже при малых концентрациях, способность накапливаться в тканях организма и влиять на происходящие внутри организма химические процессы.

Для питьевой воды существуют утвержденные российским законодательством нормативы. Существует мнение, что часть из них устарело, нормы не соответствуют оптимальным количествам по содержанию веществ. Однако данные нормативы существуют во многих странах мира, при необходимости происходит их коррекция, и точно понятно, что нормы основаны на серьезных научных исследованиях российских, а ранее советских ученых химиков. Поэтому очистка воды от тяжелых металлов крайне необходима и важна.

Все металлы имеют нормативы по предельно допустимым концентрациям. Все специалисты в области очистки воды ориентируются на показатели ПДК СанПиН 2.1.4.1074-01.

Удаляют соли, сложные химические вещества и органические соединения, уменьшая тем самым содержание тяжелых металлов в воде. Нет универсальной технологии, позволяющей гарантированно удалять абсолютно все примеси в одном процессе. Примеси различных групп удаляются поэтапно, от очистки механических загрязнений до удаления солей жесткости и запахов.

Наиболее частый способ удаления солей тяжелых металлов, ионный обмен – процесс, в ходе которого происходит замещение одного иона на другой. Количество солей в таком процессе не уменьшается, но соли нежелательных соединений фиксируются в ионообменном материале, и удаляются из него при регенерации (если для данного ионообменного материала регенерация технологически осуществима).

Также удаляют соли тяжелых металлов в воде и некоторыми другими методами. Но вне зависимости от того, какой именно метод удаления будет основным, проектирование проекта системы водоочистки, подбор оборудования для ее надежной работы осуществляется на основании полного химического анализа исходной воды.

Для очистки водопроводной воды от тяжелых металлов, а в ряде регионов нашей страны отмечены превышения по ряду подобных соединений, используются надежные и проверенные многолетней эксплуатацией в разных регионах системы бытовой очистки воды.

На сайте можно подробно ознакомиться с преимуществами и ограничениями той или иной системы бытовой очистки воды. А звонок в нашу компанию позволит потенциальному покупателю получить исчерпывающую информацию от специалиста по доочистке воды именно в его регионе.

Закажите консультацию специалиста компании Гейзер

Остались вопросы? Мы всегда готовы предоставить консультацию по всем вопросам очистки воды!

Тяжелые металлы в воде

Тяжелые металлы – это токсичные и крайне опасные вещества, способные значительно ухудшить здоровье человека и даже привести к гибели. Биогенные элементы – это исключение среди тяжелых металлов, которые необходимы всем живым организмам. Атомный вес тяжелых металлов составляет более 40.

Самыми опасными являются следующие элементы:

Источники тяжелых металлов в воде

Появление тяжелых металлов в воде обусловлено 2 факторами: антропогенным и природным.

Антропогенные источники:

Металлургия
Машиностроение
Переработка аккумуляторных батарей
Автомобильные выхлопы

Природные источники:

Кислотные дожди
Извержения вулканов

Влияние тяжелых металлов на здоровье человека

Тяжелые металлы в воде имеют высокую биологическую активность, благодаря чему им не составляет труда внедриться в обменные процессы человека, вытеснить полезные вещества и нарушить метаболизм. Воздействие отдельных металлов на организм человека:

Медь – приводит к болезням костной системы, печени, развитию анемии
Кобальт – приводит к развитию анемии, возникновению эндемического зоба, дефициту витамина В12
Цинк – приводит к развитию раковых клеток
Ртуть – приводит к головным болям, нервно-психическим нарушениям, нарушениям речи, снижению мозговой активности и памяти
Кадмий – приводит к деформации костей, отрицательно влияет на почки

Допустимая концентрация тяжелых металлов в воде

Химическое вещество	СанПиН 2.1.4.1074-01, мг/л
Кадмий	0,001
Медь	1
Мышьяк	0,05
Никель	0,1
Ртуть	0,0005
Свинец	0,03
Цинк	5
Хром	0,5
Кобальт	0,1

Методы определения тяжелых металлов в воде

На сегодняшний день определить тяжелые металлы в воде можно 2 способами: электрохимическим и спектрометрическим.

При применении последнего способа особая роль отводится атомно-абсорбционной спектометрии: FAAS (плазменная атомизация) и GFAAS (электротермическая атомизация в графитовой ванночке). Основа электрохимического способа – анализ вольтамперных характеристик.

Условия отбора пробы воды на анализ

Слить воду сильным напором в течении 5-10 минут
Промыть тару несколько раз без моющего средства
Настроить напор тонкой струей
Отобрать 1,5-2 литра исходной воды в чистую пластиковую тару для питьевой воды
Наполнить тару до краев
Закрыть емкость крышкой

Очистка воды от тяжелых металлов

Метод удаления тяжелых металлов из воды зависит от результата анализа. Он может быть отдельным или комбинированным.

Наиболее популярные методы очистки воды от тяжелых металлов:

Сорбентный – глубокое очищение за счет связывания химических веществ и примесей на молекулярном уровне, удаляет даже органические соединения
Посредством ионного обмена – эффективен при небольшом загрязнении воды, на завершающей стадии очистки и в системах водоподготовки, где требуется высокое качество воды; очищение происходит за счет процесса обмена между ионами в растворе и на поверхности твердой фазы
Установка мембранного фильтра – действует на молекулярном уровне, относится к системе глубокой очистки
Гальваническая очистка – предотвращение попадания загрязненной производственной воды в окружающую среду
Магнитная очистка – притяжение тяжелых металлов к магнитному полю
Дистилляция – испарение жидкости и последующее ее охлаждение с целью отделения вредных и тяжелых веществ

Лаборатория «ИОН» проводит анализ в Москве и Московской области, благодаря которому вы сможете узнать состояние вашей воды и способы улучшения ее качества. Мы работаем более 20 лет, занимаемся химическим анализом и разработкой новых методов диагностики веществ и материалов. Сотрудники нашей лаборатории – лучшие специалисты в стране, а приборный парк – самый современный, благодаря плодотворному сотрудничеству с крупнейшими разработчиками аналитического оборудования. Вы можете обратиться к нам для исследования питьевой, природной, талой, морской, технологической воды, а также воды из бассейнов и мест общего пользования.

Также рекомендуем почитать

Железо в воде

Содержание железа в воде – распространенное явление. В допустимых приделах оно приносит пользу организму, но его избыток опасен как для сантехники, так и для человека. Появление железа в воде из скважины связано с процессами растворения горных пород.

Раздел 4. Загрязнение водных экосистем

Е.А. Зилов
Гидробиология и водная экология
Учебное пособие. – Иркутск: Иркут. ун-т, 2007.

Раздел 4. Загрязнение водных экосистем

20. Консервативные токсиканты в водных экосистемах

20.1. Загрязнение вод металлами

Металлы принадлежат к числу главных неорганических загрязнителей пресных и морских вод. Это, в основном, соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути.

Острота проблемы загрязнения водной среды токсичными металлами определяется:

— высокой концентрацией соединений тяжелых металлов в прибрежных районах океана и внутренних морях;

— образованием высокотоксичных металлоорганических комплексов, которые как включаются в абиотический компонент экосистемы, так и поглощаются гидробионтами;

— накоплением металлов гидробионтами в дозах, опасных для человека.

Среди загрязняющих веществ по токсикологическим оценкам «стресс-индексов» тяжелые металлы занимают второе место, уступая только пестицидам.

Источники поступления

Основные источники поступления токсичных металлов в водную среду – прямое загрязнение и сток с суши. Только воды рек ежегодно привносят в океан свыше 320 Мт железа. Кроме того, важная роль в загрязнении гидросферы металлами принадлежит атмосферному переносу. Главные пути поступления металлов в Мировой океан приведены в таблице 29.

Естественное и антропогенное загрязнение Мирового океана, т год -1

На поверхность Мирового океана ежегодно выпадает по другим оценкам 200 кт свинца и 5 кт ртути. Вклад атмосферных выпадений свинца в его общий поток в Мировой океан в настоящее время уже превышает геохимический вклад этого элемента с речными стоками. Для кадмия поступления в океан за счет атмосферных выпадений и прямого стока с суши близки, а для ртути атмосферный поток составляет около 25% общего поступления в океанскую среду. Сейчас уже признано, что главным источником поступления тяжелых металлов в окружающую среду является не металлургическое производство, а сжигание угля. Ежегодное сжигание 2,4 млрд. т каменного и 0,9 млрд. т бурого угля рассеивает в окружающей среде 200 кт мышьяка и 224 кт урана, а мировое производство этих металлов составляет только 40 и 30 кт соответственно.

Как уже сказано выше, важную роль в загрязнении гидросферы металлами играют сточные воды. В таблице 30 приведено содержание металлов в бытовых и некоторых видах промышленных сточных вод.

Содержание металлов в промышленных сточных водах Нью-Йорка, средние концентрации в мкг л -1 (Jackson, 1991)

На пути от мест попадания в воду до океана значительная часть металлов оседает на дне рек. Пример приведен в таблице 31.

Концентрации тяжелых металлов в воде и осадках реки Рур в Эссене (Imhoff, 1991)

(мг кг –1 сухого веса)

Кроме того, значительная часть металлов на пути к океану задерживается в водоемах – как в их донных осадках (таблица 32), так и в биоте (таблица 33).

Поступление металлов в озеро Мичиган (т год -1 ) (Jackson, 1991)

Содержание тяжелых металлов в озере Балатон (Salanki, 1991)

Донные осадки (мг кг –1 сухого веса)

(мг кг –1 сухого веса)

Esox lucius L.

Жабры (мг кг –1 сухого веса)

Мышцы (мг кг –1 сухого веса)

Печень (мг кг –1 сухого веса)

Естественно, что наибольшее загрязнение металлами приходится на моря и те части океана, где антропогенная активность высока. Более других загрязнены воды Персидского и Аденского заливов Индийского океана, экваториальная часть Тихого океана, воды течения Гольфстрим в Атлантике, Северное и Средиземное моря.

Токсичность тяжелых металлов

Токсичность тяжелых металлов для планктона определяется тем, что планктонные организмы (особенно фильтраторы) концентрируют металлы, которые ввиду своей неразложимости сохраняются в живых тканях неограниченное время, способствуют гибели планктонтов, а с отмершим планктоном оседают в донных отложениях. Кроме того, что они аккумулируются организмами, они концентрируются в пищевых цепях, что во многом, но не во всем определяет разную токсичность металлов для разных групп гидробионтов (таблица 34).

Степень токсичности ряда солей тяжелых металлов для некоторых водных животных

Мышьяк

Мышьяк широко распространен в содержащих фосфаты породах и соответственно встречается в виде примесей в фосфатных удобрениях или детергентах, производимых их этого сырья. Обычные формы мышьяка в природе: H₃AsO₃, As(OH)₃, H₃AsO₄.

Некоторое количество мышьяка используется в качестве пестицида в виде арсенатов натрия и меди для опрыскивания плодовых деревьев. Но основными антропогенными источниками мышьяка являются сжигание угля и выплавка металлов. Если средние концентрации мышьяка в воздухе больших городов составляют 0,01–0,56 мкг м –3 , то вблизи плавильных предприятий (на расстоянии нескольких км) 1,5–7,9 мкг м –3 , а содержание мышьяка в летучей золе угольных электростанций составляет 43–312 мг кг –1 (Мышьяк, 1985).

Свинец

Ежегодно добывается примерно 3,5 Мт свинца, а с учетом повторного извлечения из отходов производство свинца составляет 4,1 Мт год-1.

Загрязнение природных вод и воздуха свинцом происходит в результате процесса обжига и плавки свинцовых руд с целью получения металлического свинца, за счет выбросов отходов с производств, использующих свинец, а также при сжигании угля, древесины и других органических материалов, включая городские отходы. Кроме того, значительные количества свинца попадают в окружающую среду благодаря использованию свинцовых труб для водопроводов и свинцово-кислотных аккумуляторов.

До сих пор серьезными источниками загрязнения окружающей среды остаются алкильные соединения свинца. Только за последние 40 лет примерно 10 Мт свинца переработано в тетраэтилсвинец, который используется в качестве антидетонаторной присадки в автомобильном бензине. Из антропогенных источников свинца этот считается важнейшим. Количество свинца, ежегодно попадающего в океан в результате применения алкилсвинца в качестве антидетонатора дизельного топлива, оценивается в 25 кт.

Pb(CH₂CH₃)₄ добавляется в бензин, что позволяет двигателям работать при больших давлениях. В бензин добавляют также CH₂Cl–CH₂Cl и CH₂Br–CH₂Br. В результате сгорания топлива свинец попадает в атмосферу в виде аэрозольных частиц PbBrCl размером менее 2 мкм, попадающих в легкие и оседающих там.

Общее содержание свинца в водах Мирового океана составляет 2,8 Мт при средней концентрации 2 10-3 мкг л-1. В гидробионтах концентрация свинца варьирует в пределах 50-20 000 мкг кг-1 сырой массы.

Ртуть

Ртуть относится к числу наиболее токсичных металлов, чаще других встречаемых в окружающей среде. Ртуть – один из самых редких элементов с очень низким содержанием в земной коре. Она встречается в природе в виде красного сульфида, циннабара, черного сульфида и в виде жидкой ртути.

В окружающую среду ртуть поступает как из природных источников, так и из источников техногенного происхождения. Природная ртуть попадает в биосферу из относительно глубоких слоев земной коры благодаря вулканической, гео- и гидротермальной активности.

Главные антропогенные источники ртути:

§ сжигание ископаемого топлива;

§ выбросы промышленных предприятий, из которых наиболее важны сбросы сточных вод с электролизных фабрик по производству хлорощелочей и едкого натра и предприятий, где сульфат ртути используется в качестве катализатора;

§ использование в сельском хозяйстве различных биоцидов, содержащих ртутные соединения.

Было подсчитано, что в результате деятельности человека в окружающую среду ежегодно поступает до 10 кт ртути, из которых 3 кт – за счет сжигания ископаемого топлива. В морскую среду попадает около 5 кт ртути, общее ее количество в водах Мирового океана равно 10 Мт при средней концентрации 0,01-0,03 мкг л -1 .

Существуют бактерии, которые переводят минеральную ртуть в монометил (или метил) ртути (CH3Hg+) (см. рисунок 42).

Ртуть токсична для фитопланктона, поэтому загрязнение ртутью существенно снижает первичную продукцию морских экосистем. Фито- и зоопланктон аккумулирует ртуть в широком диапазоне концентраций 30-3 800 мкг кг-1 сухой массы, показатель аккумуляции ртути может превышать 40 000.

Рис 41. Поведение ртути в водной среде (до аккумуляции организмами).

Ее ПДС для водоемов принято не более 0,005 мг л -1 . В континентальных и океанических водах концентрация ртути составляет примерно 1 мкг кг -1 . Фактическое содержание ртути в водах рек промышленно развитых стран превышает ПДС в 2-4 раза, а содержание ее в тканях рыб нередко в 100-200 раз превышает таковое в природных водах. В тканях, например тунца, концентрация может достигать 120 мкг кг -1 .

Отходы, содержащие ртуть, обычно скапливаются в донных отложениях заливов или эстуариях рек. Дальнейшая ее миграция сопровождается накоплением метиловой ртути и ее включением в трофические цепи водных организмов (особенно крабов и рыб). Например, в канадских озерах Сент-Клэр концентрация ртути в рыбах составляла 2–4 мг кг -1 , в мышцах большой голубой цапли 23 мг кг -1 , в печени – 175 мг кг -1 (Рамад, 1981).

Кадмий

В природе кадмий, как правило, ассоциирован с цинком и их разделение экономически нерентабельно.

Ежегодно во всем мире добывается до 18 кт кадмия (Израэль, 1989). Кадмий широко используется в электронной промышленности, производстве пластмасс, красителей, растворителей. Наиболее известно его использование в никеле-кадмиевых аккумуляторах.

В окружающей среде кадмий присутствует в виде двухвалентного иона, осаждаемого в виде карбоната:

В кислой среде ионы кадмия освобождаются:

К основным антропогенным источникам поступления кадмия в окружающую среду относятся горнорудные и металлургические предприятия, а также сточные воды. Курение поставляет в окружающую среду 6–11 т кадмия ежегодно (Гадаскина, 1988).

Всего воды Мирового океана содержат примерно 140 Мт кадмия при средней концентрации 0,1 мкг л –1 . Кадмий накапливается водными животными, но не концентрируется в пищевых цепях (Израэль, 1989). Концентрация кадмия в разных гидробионтах изменяется от 50 до 550000 мкг кг -1 сухой массы. У некоторых видов устриц, например, коэффициент накопления кадмия равняется 318 000 (Эрхард, 1984).

Кадмий – один из самых опасных токсикантов. Токсичность кадмия связана со схожестью его химических свойств с цинком. При этом он связывается с серой более прочно, чем цинк и, следовательно, вытесняет цинк из многих ферментов, в которых тот используется как ко-фактор. Естественно, эти ферменты прекращают функционировать.

Читайте также: