Раздел 1. Физико-химические процессы в атмосфере

Учебное пособие

Пермь, 2017

Учебное пособие составлено к.х.н. Л. В. Куслиной

Предназначено для студентов инженерного факультета специальности «БЖД в техносфере» (очное и заочное отделение) для подготовки к практическим занятиям, подготовки к зачету, самостоятельной работы по дисциплине «Физико-химические процессы в техносфере».

Рекомендовано к изданию кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» (протокол № 6 от 24.06.16) и методической комиссией инженерного факультета (протокол № 21 от 25.03.2017 ).

Рецензент - профессор кафедры органической химии Пермского государственного университета, доктор химических наук А.Н. Масливец.

Содержание

Введение. 3

Раздел 1. Физико-химические процессы в атмосфере. 4

1.1 Химический состав атмосферы.. 5

1.2. Эволюция химического состава атмосферы.. 7

1.3. Роль органических соединений в глобальных геофизических процессах 10

1.3.1. Атмосферная химия алканов. 10

1.3.2. Атмосферная химия алкенов. 20

1.3.3. Ароматические углеводороды, ПАУ (полиядерные ароматические углеводороды) 21

1.3.4. Галогенсодержащие соединения. 23

1.4 Атмосферная химия галогенсодержащих органических соединений. 28

1.5. Атмосферные соединения азота и серы.. 30

1.3.6. Атмосферные соединения серы.. 34

1.3.8. Химия кислородсодержащих компонентов атмосферы.. 40

1.4. Гетерогенные процессы в атмосфере. 44

1.5. Физико-химические методы очистки атмосферы от газообразных загрязнителей 47

Раздел 2. Физико-химические процессы в гидросфере. 52

2.1. Химический состав природных вод. 52

2.2. Этапы формирования химического состава природных вод. 53

2.3 Классификация природных вод по степени минерализации. 57

2.4 Основные компоненты физико-химического состава природных вод. 58

2.5 Сточные воды.. 67

2.6 Методы очистки сточных вод. 74

Раздел 3. Физико-химические процессы в почвах. 79

3.1 Структура почв. 79

3.2 Окислительно-восстановительные процессы (ОВП) 81

3.3 Азот, фосфор и сера в почве. 84

3.4 Методы очистки почв (педосферы) 90

Список использованной литературы.. 104

Введение

Спецкурс СД 05 –физико-химические процессы в техносфере – представляет собой совокупность трех основных разделов:

1. Физико-химические процессы в атмосфере;

2. Физико-химические процессы в гидросфере;

3. Физико-химические процессы в почвах.

И, безусловно, включает описание взаимосвязи этих процессов, рассеивания и миграции примесей в атмосфере, гидросфере и почвах.

Первый раздел включает в себя общие характеристики атмосферы, основные физико-химические характеристики загрязнителей атмосферы, основные химические реакции, происходящие в атмосфере, образование свободных радикалов, образование аэрозолей сульфатов и нитратов, кислотные дожди, взаимодействие загрязняющих веществ на атмосферу, влияние на видимость, выпадение осадков, глобальные метеорологические явления.

Второй раздел в основном посвящен формированию и химии природных вод, процессам окисления и восстановления в природных водоемах, влиянию на них сточных вод, гидролизу солей, процессам комплексообразования.

Третий раздел – химический состав почв, окислительно-восстановительные процессы в почвах, адсорбция тяжелых металлов, реакции разрушения пестицидов, гербицидов и т.д.

Химический состав атмосферы

Атмосфера представляет собой смесь газов.

Различают постоянные, переменные и случайные составные части воздуха.

Постоянные компоненты:

N₂ (~ 78%); (75,5 массовых долей)

О₂ (20,95 ~ 21%); (23 массовых долей)

Ar (0,93%); (1,28 массовых долей )

Ne (0,01%); (0,02 массовых долей ) и другие инертные газы (He, Hr, Xe)

Переменные компоненты:

CO₂ (0,02%) (и постоянно повышение)

H₂O (до 4% весовых); О₃

Случайные компоненты: (это относится к приземным слоям атмосферы, прежде всего к воздуху крупных промышленных городов):

Различные газы:

· Хвостовые – стадия производственного процесса (дымовые при сжигании топлива);

· Абгазы – выбрасывание на промежуточных стадиях процесса;

· Газы аспирационных систем – газы из местной вентиляции;

· Вентиляционный воздух – пары или капли жидкостей;

· Твердые примеси (пыль, дым, и др.);

· Микроорганизмы, пыльца растений.

Различные газовые составляющие атмосферы имеют разное время жизни.

· Долгоживущие (10 и > лет) – инертные газы;

· Среднее время жизни – углекислый газ и т.д.;

· Несколько недель или дней – вода, серная кислота и т.д.

Мелкодисперсные частицы на h ~ 20 км живут – 1-2 года; На h ~ 50км – 4-20 лет.

Многие из органических и неорганических составляющих атмосферы входят в состав аэрозолей (взвеси твердых и жидких частиц в газообразной среде) - пыль, дым, туман, облака.

В состав атмосферных аэрозолей входят:

1. соли;

2. кислоты;

3. оксиды;

4. химические соединения внеземного происхождения;

5. органические соединения;

6. биологические компоненты;

7. радионуклиды и др. вещества естественного и искусственного происхождения.

Опасность аэрозолей, в том числе в верхних слоях атмосферы связана с такими факторами как:

1. токсичность многих

2. долгое время существования

3. влияние некоторых не локально, а охватывает всю планету

4. аэрозоли-сульфаты - ядра конденсации, определяют микроструктуру облаков и туманов.

В химических атмосферных процессах принимают участие различные виды атомных и молекулярных частиц.

К особенностям химических процессов в атмосфере можно отнести следующие:

1. Большинство химических реакций инициируется не термически, а фотохимически (квантами света, полученными в результате солнечного излучения);

2. Атмосфера земли – окислительная, за счет О₂; в ней преобладают окислительно-восстановительные (ОВ) процессы, с участием в основном частиц с ковалентным типом химической связи;

3. Для атмосферных процессов характерны цепные реакции (т.е. протекающие в несколько стадий с участием промежуточных продуктов – реакционно-способных частиц);

4. В химических и фотохимических превращениях образуется разнообразные органические и неорганические соединения, в ряде случаев токсичные;

5. Продукты реакции могут переносные на дальние расстояния и длительное время сохранять в атмосфере (например, в виде аэрозолей).

Атмосферная химия алканов

Главный компонент глобального биогеохимического цикла С - это СО₂

Главное органическое соединение атмосферы - СН₄

Оксид углерода (IV)(CO₂)

Углекислый газ (CO₂) является составляющей атмосферы, без которой жизнь на Земле в том виде, в котором она существует в настоящее время, не была бы возможна. В присутствии CO₂ под действием света в клетках зеленых растений протекает процесс фотосинтеза. Однако постоянное накопление CO₂ в атмосфере Земли сопряжено с негативными последствиями. Влияние углекислого газа связано с его способностью поглощать инфракрасное (ИК) излучение в диапазоне длин волн 700 <λ< 1400 нм. Земля, как известно, получает практически всю свою энергию от Солнца в интервале видимого участка спектра (400 <λ< 700 нм), а отражает в виде длинноволнового ИК излучения. Таким образом, CO₂ задерживает тепловое излучение Земли, действуя, как парниковая пленка. С 1850 года по настоящее время содержание CO₂ в атмосфере Земли возросло с 0,027% до 0,033%. Это является следствием техногенной деятельности человека. Подсчитано, что человечество в XX веке сожгло ископаемых видов топлива столько же, сколько за весь период своего существования до XX века. Возрастание среднегодовой температуры, связанное с накоплением CO₂, может привести к таянию ледников и, как результат, к поднятию уровня мирового океана. К счастью накопление углекислого газа в атмосфере идет в 2-3 раза медленнее, чем это подсчитано теоретически. Механизмом вывода CO₂ из атмосферы Земли является поглощение его в процессе фотосинтеза зеленых растений, а также связывание его в океанских водах в нерастворимые карбонаты.

В середине 80-х парниковый эффект атмосферы составил 33,2 К, причем вклад Н₂О пара и СО₂ был 20,6 : 7,2 К.

Уже сегодня суммарный вклад малых газовых составляющих (МГС) в парниковый эффект приближается к вызываемому СО₂, особенно велика роль в парниковом эффекте органических соединений, т.к. для них характерна удельная адсорбция ИК - радиации, намного превосходящая эту величину для СО₂.

Одна молекула СН₄ поглощает в 25 раз > ИК-радиации, чем СО₂ (в окнах прозрачности). Еще больше это характерно для фторхлоруглеродов CF_хCl_у (фреонов) и фторбромуглеродов CF_хBr_у (фторхлорбромуглеродов CF_хBr_yCl_z)(галонов).

По динамике накопления СО₂, СН₄, CFCl₃, CF₂Cl₂ вероятно увеличение температуры земной поверхности к 2050г на 1-5 К и повышение уровня мирового океана на 44 см. Особое опасение вызывает возможность увеличения поступления в нижнюю тропосферу эритемной УФ - радиации с длинами волн 280 – 320 нм, обладающей высокой физиологической активностью.

Углеводороды

Метан (выделяется в составе болотного, рудничного, природного горючих газов).

Итого 513

Окисление метана в стратосфере служит одним из главных источников водного пара, СО₂ и НО₂^· (гидропероксидный радикал). Метан равномерно распределяется по тропосфере, однако наблюдаются сезонные флуктуации; [CH₄] больше весной и осенью, меньше зимой и летом. Безусловно, содержание СН₄ в воздухе крупных городов превосходит фоновое.

Алканы

- В летучих выделениях наземных частей культурных растений есть алканы: ячмень, сахарный тростник, апельсин, лимон, гречиха, томаты, свекла, хлопчатник.

- В вулканических газах (присутствие СН₄ в фумарольных газах впервые было обнаружено еще в 1866г).

- Дымовые газы природных пожаров содержат СН₄ и алканы С₂ – С₇. Метан – один из основных газообразных продуктов, выделяющихся при горении древесины в условиях недостатка кислорода. Это ~ 45 тг/год + 28 тг/год при сжигании ископаемого топлива.

- Алканы составляют ~ 50% выбросов углеводородов в атмосферу, в состав обратных газов входит ~ 500 органических соединений.

- Алканы составляют самое большое количество углеводородов, обнаруженных в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. Это основной загрязнитель атмосферы городов органическими веществами.

Летучие углеводороды составляют главную фракцию органических соединений, поступающих в атмосферу из антропогенных источников. На долю промышленных предприятий в индустриально развитых странах приходится 20-25% общей эмиссии углеводородов.

1. Около 40% от общего объема выбросов приходится на нефтеперерабатывающие и нефтехимические предприятия в России (44,2 в США). Исследование в США показали, что основные потери летучих углеводородов приходится на насосные и компрессорные станции.

2. Отходящие газы ТЭС и ТЭЦ, работающие как на жидком, так и на твердом топливе. Наименьшее количество углеводородов выделяется при использовании природного газа

3. Ежегодно ~ 2% СН₄ теряется при добыче, транспортировке и использовании природного газа. Огромное количество СН₄ выделяется при угледобыче.

4. Крупные городские свалки, где газовыделение происходит за счет высвобождения летучих компонентов при постепенном разрушении различных материалов, так и благодаря процессам микробиологической ферментации. Одна тонна захороненных на свалке отходов в течении 25 лет выделяет 25-30 м³ (причем 70% этого количества – в первые 10 лет).

Циклические процессы в атмосфере.

Атмосфера Земли является гигантским химическим реактором, в котором под действием УФ квантов солнечной радиации генерируются активные частицы – свободные радикалы, которые образуются в фотохимических процессах, в основном, за счет молекул О₂, О₃ и Н₂О.

1. диссоциация О₂ с образованием атомарного О.

О₂ +hν → O + O* - (O* возбужденное состояние).

2. образование озона:

О + О₂→ О₃* - колебательно-возбужденная молекула с малым временем жизни, которая быстро распадается на исходные вещества.

Образование стабильного О₃ происходит в результате реакции с третьей частицей М (О₂ или N₂) с тепловым рассеиванием колебательного возбуждения.

О₃* + М → О₃ + М*

С понижением h (↓) скорость образования О₃ увеличивается согласно уравнению:

V = k [O₂] ([O₂] + [N₂]).

Однако, уменьшается за счет поглощения света с λ‹340км, что определяет высоту озонового слоя ~ 35км (от 25 до 55км). Тепловое рассеивание энергии на этой высоте происходит по реакции: О + О₃ → 2О₂.

Это первая значимая реакция, имеющая активационный барьер (13,6 КДж/моль). Наряду с этой реакцией к уменьшению [O₃] ведет наиболее существенная для сохранения жизни на суше реакция поглощения солнечного света (λ‹ 310км).

Процесс образования и разложения О₃ называют циклом С.Чепмена (1930г):

Образовавшийся активный кислород легко реагирует с молекулами воды, метана или водорода.

O* + H₂O®2HO^·

O* + CH₄®CH₃^· + OH^·

O* + H₂®OH^· + H^·

В нулевом цикле не происходит изменения состава атмосферы, а солнечный свет превращается в теплоту. Этот цикл отвечает за повышение температуры в стратосфере до h~50км.

Экспериментальные изменения О₃ показывают, что его меньше, чем следует из цикла Чепмена. Это связано с наличием реакции его каталитического разложения. Уменьшение толщины озонового слоя негативно скажется на жизни на планете. При этом весьма вероятно, что:

а) рак кожи примет эпидемический характер, так как ожидается, что каждый процент уменьшения толщины озонного слоя повлечет за собой увеличение числа случаев заболевания раком кожи на 5-6%;

б) резко сократится количество планктона в мировом океане;

в) исчезнут многие виды животных, например, ракообразные;

г) УФ-излучение неблагоприятно скажется на сельскохозяйственных культурах.

Все эти явления нарушат равновесие во многих экосистемах Земли.

Химия алканов

Окислительная деструкция углеводородов начинается с отщепления атома Н при взаимодействии с гидроксильным радикалом:

RH + OH^· ®R^· + H₂O

Дальнейшие свободно радикальные превращения разнообразны и чрезвычайно интересны:

R^· + O₂+ M®ROO^· +M*

ROO^· + NO® RO^· + NO₂

ROO^· + NO + M® RONO₂ + M*

ROO^· + HO₂^·®ROOH + O₂

ROOH + hn®RO^· + OH^·

При взаимодействии с кислородом и NO₂ образуют довольно устойчивые и очень токсичные соединения – пероксиацилнитраты:

Атмосферная химия метана:

Алкены, диены

Источники этих соединений в атмосфере:

§ растительные выделения (особенно изопрен!) фитовыделения

§ фитопланктон;

§ микроорганизмы (микроскопические грибы); (изопрен почти не генерируется таким образом);

§ природные пожары;

§ антропогенные источники:

-в отработанных газах (в основном этилен и алкены);

-промышленное производство (производство пластмасс, синтетические нагрузки, синтетические волокна)

Атмосферная химия алкенов

Скорость присоединения радикалов и озона значительно увеличивается при увеличении степени замещенности алкильными группами Н при двойной связи.

Основное направление – присоединение гидроксильного радикала НО^·.

один из главных химических стоков алкенов – взаимодействие с озоном:

Образовавшиеся бирадикалы (бирадикалы Криги) являются сильными окислителями:

В экспериментах по озонолизу различных алкенов было показано, что образование этих промежуточных продуктов происходит как в газовой, так и в водной фазах.

Неустойчивые пероксиды разлагаются с образованием гидроксильных и алкоксильных радикалов термически, а также под действием солнечной радиации. Таким образом, в результате взаимодействия алкенов с озоном в газовой и капельножидкой фазе образуются множество кислородсодержащих радикалов, что приводит к увеличению окислительного потенциала атмосферы. Особенно это заметно в воздухе городской среды.

Атмосферная химия аренов

Основное направление превращений - это раскрытие цикла.

Атмосферные соединения серы

К неорганическим и органическим атмосферным соединениям серы относят: SO₂, SO₃, H₂S, SO₄^2-, COS, CS₂, CH₃SH и многие другие.

Источники соединений серы:

Природные:

- разрушение биомассы, болота, устья рек, некоторые виды трав, зоны приливов и отливов;

- вулканическая деятельность;

- поверхность мирового океана. После испарения капель воды в атмосферу поступают различные соли.

- Антропогенные:

- сжигание угля (до 70% выбросов);

- промышленные выбросы, прежде всего металлургия (переработка сульфидных руд – 2ZnS +3O₂ = 2ZnO + 2SO₂ и т.д., меди, нефти и т.д.)

- Оксиды серы (SO₂ и SO₃)

Оксиды серы выделяются в атмосферу в основном в результате сжигания ископаемого топлива (бурого угля, мазута, серосодержащих нефтепродуктов) в процессе работы тепловых электростанций (ТЭС), а также при переработке полиметаллических серосодержащих руд различных металлов (PbS, ZnS, CuS, NiS, MnS и т.д.). Например, ТЭС мощностью 1 млн. кВт при работе на каменном угле выбрасывает 11 тыс. тонн SO₂ в год, при работе на газе - 20% от этого количества. К тому же предприятия, производящие целлюлозу, тоннами выбрасывают оксиды серы. Высокие концентрации SO₂ приводят к образованию «зимнего» смога (смога лондонского типа).

При сжигании топлива и при переработке серосодержащих руд содержащаяся в них сера окисляется, образуя два соединения: SO₂ и SO₃. При этом до SO₃ окисляется менее 3% исходной серы. В контакте с частицами пыли наблюдается синергизм, объясняющийся адсорбцией молекул оксида.

При взаимодействии SO₂ и SO₃ с парами воды в воздухе соответственно образуются сернистая и серная кислоты. Около 60% от всех содержащихся в дождевой воде кислот составляет серная кислота.

Кислотные дожди способствуют коррозии металлов и губят растения. Даже когда среднее содержание оксидов серы в воздухе составляет всего 100 мкг/м³, что нередко имеет место в городах, растения могут приобретать желтоватый оттенок. Отмечено также, что заболевания дыхательных путей (бронхит, астма, кашель и т.д.) учащаются при повышенном содержании оксидов серы в воздухе. Кроме этого кислотные дожди вымывают тяжелые металлы из горных пород, закисляют почву и увеличивают кислотность озер, пагубно влияя на популяции рыб. Например, в 80-е годы озера и реки Норвегии из-за кислотных дождей почти полностью потеряли свои рыбные запасы. В этом в большой мере была вина предприятий комбината «Североникель», расположенных на Кольском полуострове.

Большую озабоченность вызывает в России огромный трансграничный перенос серы с Запада, составляющий около 2 млн. тонн оксидов серы и 10 млн. тонн сульфатов и в 7-10 раз превышающий обратный поток загрязнения с территории России. Основными странами, загрязняющими в настоящее время европейскую территорию России, являются страны Восточной Европы и Украина, энергетика которых базируется на бурых углях.

В настоящее время многие страны успешно решают проблему загрязнения атмосферы оксидами серы. Так, Швеция, особенно сильно пострадавшая от кислотных дождей, ограничила сжигание нефти и угля и использует только горючее, не содержащее серу. В Греции для отопления жилых домов в районе Акрополя разрешается использовать лишь топливо с особо низким содержанием серы. В Лондоне в результате ряда строжайших мер снизилось содержание оксидов серы, что привело к исчезновению лондонского смога. Россия также входит в конвенцию по выбросам оксидов серы и участвует во всех процессах, способствующих снижению выбросов оксидов серы в атмосферу. Основным решением этой проблемы является строительство заводов, производящих серную кислоту по схеме SO₂ Þ SO₃ÞH₂SO₄. Таким образом, используя оксиды серы для производства столь необходимого во многих областях деятельности продукта, человечество перестанет извлекать из недр ограниченные запасы серы.

В настоящее время разработано и используется много методов для улавливания SO₂ из отходящих дымовых газов. Весьма привлекательными являются скрубберные установки, позволяющие получить продукты, имеющие спрос на рынке. Один из таких скрубберов может производить серу высокой чистоты, другой - разбавленную серную кислоту. Последнюю невыгодно перевозить на большие расстояния, тогда как высокочистая сера, находящая применение в производстве лекарственных препаратов, промышленных реагентов, удобрений и т.д., привлекает и далеких потребителей в развитых странах.

В России проблему загрязнения атмосферы оксидами серы удалось решить на большей части европейской территории. Так, в Москве на единственном нефтеперерабатывающем заводе в Копотне с 1997 года запрещено использовать серосодержащие нефтепродукты. В то же время трудности, связанные с транспортировкой серной кислоты, затрудняют решение этой проблемы для азиатской территории. В результате огромные массы оксидов серы комбината «Норильский никель», выбрасываемые 100-метровыми трубами, достигают через Северный полюс берегов Канады.

Сточные воды

Сточными называются воды, использованные промышленными или коммунальными предприятиями и населением, подлежащие очистке от различных примесей.

В зависимости от образования сточные воды делятся на 3 группы:

1. бытовые или хозяйственно – фекальные; (БСВ)

2. атмосферные сточные воды; (АСВ)

3. промышленные сточные воды; (ПСВ)

К первой группе (БСВ) относятся стоки коммунально-хозяйственного назначения (душевые, банные, туалеты и др.). Они содержат различные примеси, из которых примерно 60% - органические вещества (примерно 40% минеральные вещества). В эти сточные воды в сутки на одного жителя поступает в граммах: (хлоридов до 9 г, аммонийного азота до 8 г, калия - 3 г, органических веществ – до 7 – 8 г и т.д.).

Ко второй группе относят загрязненные примесями атмосферные осадки или даже не загрязненные атмосферные осадки, которые не просачиваются в почву и смешиваются с бытовыми сточными водами.

Промышленными сточными водами (3-я группа) называются жидкие отходы, которые образуются при добыче органические и неорганического сырья и его переработке в промышленную продукцию, а также в процессе изготовления из него товаров широкого потребления. Промышленные сточные воды подразделяются на условно чистые (ПСВуч) и грязные (ПСВг).

Условно чистыми водами являются те, которые получены в процессах охлаждения, конденсации и др. эти воды охлаждаются в городских прудах или специальных градирнях, где очищаются от механических примесей и масел, а затем возвращаются в производство при небольшой добавке свежей воды.

Состав промышленных загрязненных сточных вод разнообразен и зависит от вида производства и совершенства технологического процесса. По содержанию загрязняющих веществ ПСВг делят на:

- высококонцентрированные;

- слабоконцентрированные.

Перед сбросом в водоемы из точных вод должны быть удалены все загрязняющие вещества до ПДК.

Под ПДК понимают такую концентрацию химического соединения в мг/л., которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких – либо патологических изменений или заболеваний, обнаруживаемых современными методами исследований.

Сточные воды, направленные на биологическую очистку, характеризуются величиной БПК и ХПК.

БПК - это биохимическая потребность в кислороде, или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (исключая процессы нитрификации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8, 20 суток)

ХПК - химическая потребность в кислороде, т.е количество кислорода эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей. содержащихся в воде.

Методы очистки сточных вод

В природных водах происходит естественный процесс самоочищения воды, протекающий достаточно медленно, поэтому не справляющийся с большим объемом загрязняющих сбросов. Следовательно, необходимы надежные методы очистки сточных вод.

Методы очистки сточных вод подразделяются на:

- механические;

- химические;

- физико-химические;

- биологические;

- комбинированные.

Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.

Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения - нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75%, а из промышленных до 95%, нерастворимых примесей, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве.

Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%

При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонко дисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д. Широкое применение находит также электролиз. Он заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ. Электролитическая очистка осуществляется в особых сооружениях - электролизерах. Очистка сточных вод с помощью электролиза эффективна на свинцовых и медных предприятиях, в лакокрасочной и некоторых других областях промышленности.

Загрязненные сточные воды очищают также с помощью ультразвука, озона, ионообменных смол и высокого давления, хорошо зарекомендовала себя очистка путем хлорирования.

Среди методов очистки сточных вод весьма перспективен биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов.

Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод:

- биофильтры;

- биологические пруды;

- аэротенки.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах.

В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.

Аэротенки - огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, не слипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила.

Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.)

Биологический метод дает большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна.

Коагуляционные методы особенно широко применяются для очистки сточных вод. Для коллоидных частиц природных вод характерен отрицательный дзета-потенциал (около 70 мВ). Поэтому для их коагуляции применяются коагулянты, продукты гидролиза которых имеют положительный заряд. При рН= 5,5-7,5 обычно применяют Al₂(SO₄)₃ в дозе подобранной экспериментально, составляющей для большинства поверхностных вод стран СНГ 0,5 - 1,2 мг-экв/кг. При рН= 10-10,5 используют FeSO₄, Fe₂(SO₄)₃, FeCl₃, доза для FeSO₄ - 0,1-0,5 мг-экв/кг. Оптимальная температура для коагуляции 30-35⁰С. Для ускорения коагуляции широко применяются флокулянты. Флокулянт (например, 0,1% раствор полиакриламида) сорбирует на себя предварительно скоагулировавшие частицы и при этом образуются быстроопадающие крупные хлопья.

Эмульсии нефтепродуктов удаляются с помощью гетеро- (внесение солей) и электрокоагуляции (с помощью электролитов). Для ускорения коагуляции используют такие флокулянты как: неионогенные (крахмал, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и пр.), анионные (активная кремниевая кислота, полиакрилат натрия, лигносульфонаты и др.), катионные (полиэтиленамин, четвертичные аммониевые соли на основе полистирола и поливинилтолуола), амфотерные (полиакриламид, белки и др.). Для электрокоагуляции используют алюминиевые и железные электроды-аноды. Преимущества метода состоят в том, что он не требует применения реагентов, не увеличивает солесодержание воды, используется простое оборудование.

Особым физико-химическим методом является флотация. Флотационная очистка эффективна при извлечении природногидрофобных примесей. При флотации извлечение эмульгированных нефтепродуктов осуществляется пузырьками воздуха или углеводородных газов, введенных в воду разными способами. По способу диспергирования воздуха выделяются следующие виды флотации:

1) при выделении газа из воздуха (вакуумная, напорная);

2) с механическим диспергированием воздуха (импеллерная, безнапорная и пневматическая);

3) при подаче воздуха через пористые материалы;

4) электрофлотация;

5) био-, вибро- и химическая флотация.

Ионо-обменные методы

При загрязнении грунтовых вод тяжелыми металлами и сульфидами часто применяется их инактивация с помощью ионообменных смол, при этом образуются хелатные соединения.

Сорбционные методы

Сорбция практически единственный метод, позволяющий очищать воду от нефтепродуктов до любого требуемого уровня без внесения вторичных загрязнений. Наиболее широко применяются следующие сорбенты: асбестосодержащий материал (после использования регенерируется прокаливанием), пористый полимерный сорбент сополимер стирола и дивинилбензола (нефтепродукты из него могут быть эмонированы растворителем), пенополиуретан с гранулами ферромагнетика (сорбент регенерируется отжимом), сорбент на основе базальтового волокна и гидрофобизатора (регенерация отжимом или сжиганием углеводородов), древесные опилки, стружки, волокна, помещенные в пористые тканированные оболочки (утилизируется сжиганием), активированный уголь.

Сорбенты очень эффективны при аварийной очистке от нефти, в таких случаях используют торф, органический сапропель, молодые бурые угли, получают сорбенты также из коры, жмыха, смолы. Пестициды сорбируются на активных центрах с помощью ковалентных связей в почвах с органическим веществом и глинистыми минералами с высокой сорбционной емкостью.

Со временем пестициды стареют и разлагаются микроорганизмами, поэтому извлечения загрязнителя из массива в данном случае не требуется.

Особенности почв

- полихимизм;

- гетерогенность;

- органоминеральные взаимодействия;

- динамичность процессов;

- наличие открытой термодинамической системы;

- значительная роль окислительно-восстановительных процессов.

Структура почв

- живые организмы;

- неорганическая часть почвы;

- органическая часть почвы.

1. С химической точки зрения живые организмы содержат в основном элементы-органогены. Это – С, N, O, P, S, H.

2. Неорганическая часть почвы в свою очередь состоит из трех частей: а) минеральные соединения (сульфаты, хлориды, гидрокарбонаты и др.); б) оксиды (в основном кремния и водорода); в) макро- (натрий, калий, кальций, магний) и микроэлементы (железо, медь, олово, молибден и др.).

3. Органическую часть почвы делят на органические остатки и гумус, который в свою очередь подразделяется на: а) негуминовые вещества; б) промежуточные продукты; в) гуминовые вещества (гуминовые и фульвокислоты, прогуминовые вещества, гумин). (см. схему 1).

Органические остатки – это остатки, не утратившие своего анатомического строения (корни, листья и т.д.).

Гумус – это совокупность всех органических соединений, находящихся в почвах и не входящих в состав живых организмов, либо индивидуальные органоминеральные или органические соединения.

Негуминовые вещества – поступают в почву из разлагающихся остатков (моносахариды, аминокислоты, целлюлоза и др.).

Промежуточными продуктами распада, и гумификация являются продукты частичного гидролиза белков, жиров и углеводов.

Гуминовыми веществами называют темно окрашенные, азотсодержащие высокомолекулярные соединения.

Гумусовые кислоты и фульвокислоты – это азотсодержащие высокомолекулярные оксикарбоновые кислоты интенсивной окраски. Фульвокислоты обладают меньшими размерами углеродной цепи или меньшим количеством конденсированных звеньев.

Прогуминовые вещества – гуминоподобные продукты, сходные с промежуточными продуктами распада.

Гумин – неоднородная группа органических соединений, отличающихся от других групп нерастворимостью в кислотных и щелочных средах, т.к. в основном представляет собой гумусовые кислоты, прочно связанные с минеральной частью.

Газообмен и хемосорбция

«Покрывая земной шар, почва является той средой, в которой в теснейшей связи с жизнедеятельностью организмов идет медленное, но непрерывное поглощение и выделение газов. Это область газовых выделений земной коры» (В. Вернадский).

Азот, улавливаясь почвой, входит в состав новых органических соединений, переходит в селитры, растворяющиеся в природных водах или дающих твердые отложения. Разумеется, есть и обратный процесс – разложение соединений, содержащих аз