Свойства ртути

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Физико-химические свойства ртути

2. Попадание в окружающую среду

2.1 Ртуть и природная среда

2.2 Ртуть в атмосфере

2.3 Ртуть в почве

2.4 Воздействие ртути на живые организмы

2.4.1 Ртуть в растениях

2.4.2 Воздействие ртути на животных и человека

3. Защита окружающей среды от соединений ртути

3.1 Оборудования, используемые для определения ртути

3.2 Токсические свойства ртути

3.3 Очистка атмосферы от ртути



Введение

Ртуть -- относительно редкий элемент в земной коре со средней концентрацией 83 мг/т. Однако ввиду того, что ртуть слабо связывается химически с наиболее распространёнными в земной коре элементами, ртутные руды могут быть очень концентрированными по сравнению с обычными породами. Наиболее богатые ртутью руды содержат до 2,5 % ртути. Основная форма нахождения ртути в природе -- рассеянная, и только 0,02 % её заключено в месторождениях. Содержание ртути в различных типах изверженных пород близки между собой (около 100 мг/т). Из осадочных пород максимальные концентрации ртути установлены в глинистых сланцах (до 200 мг/т). В водах Мирового океана содержание ртути -- 0,1 мкг/л. Важнейшей геохимической особенностью ртути является то, что среди других халькофильных элементов она обладает самым высоким потенциалом ионизации. Это определяет такие свойства ртути, как способность восстанавливаться до атомарной формы (самородной ртути), значительную химическую стойкость к кислороду и кислотам.

Ртуть присутствует в большинстве сульфидных минералов. Особенно высокие её содержания (до тысячных и сотых долей процента) устанавливаются в блёклых рудах, антимонитах, сфалеритах и реальгарах. Близость ионных радиусов двухвалентной ртути и кальция, одновалентной ртути и бария определяет их изоморфизм во флюоритах и баритах. В киновари и метациннабарите сера иногда замещается селеном или теллуром; содержание селена часто составляет сотые и десятые доли процента. Известны крайне редкие селениды ртути -- тиманит (HgSe) и онофрит(смесь тиманита и сфалерита).

В природе известно около 20 минералов ртути, но главное промышленное значение имеет киноварь HgS (86,2 % Hg). В редких случаях предметом добычи является самородная ртуть, метациннабарит HgS и блёклая руда -- шватцит (до 17 % Hg).

1. Физико-химические свойства ртути

Ртуть (Hg) - химический элемент II группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева; атомный номер 80, относительная атомная масса 200,59; в состав природной ртути входят 7 стабильных изотопов с массовыми числами: 196 (распространенность 0,146%), 198 (10,02%), 199 (16,84%), 200 (23,13%), 201 (13,22%), 202 (29,80%) и 204 (6,85%). Природная ртуть характеризуется относительно устойчивым изотопным соотношением. Тем не менее в ней в небольших количествах присутствуют радиоактивные изотопы. Искусственно получено более 20 короткоживущих изотопов, из которых практическое значение имеют (метки в медицине, в аналитике, в технологических процессах) 203Hg (период полураспада 46,6 дня) и 197Hg (64,1 ч). Ртуть в обычных условиях представляет собой блестящий, серебристо-белый тяжелый жидкий металл. Удельный вес ее при 20оС 13,54616 г/см3; температура плавления = -38,89оС, кипения 357,25оС. При замерзании (-38,89оС) она становится твердой и легко поддается ковке.

При действии на ртутные пары вольтовой дуги, электрической искры и рентгеновских лучей наблюдаются явления люминесценции, флюоресценции и фосфоресценции. В вакуумной трубке между ртутными электродами при электрических разрядах получается свечение, богатое ультрафиолетовыми лучами, что используется в технике при конструировании ртутных ламп. Это же явление легло в основу спектрального метода определения малых количеств ртути в различных объектах. Ртуть характеризуется очень низкой удельной теплоемкостью. Это ее свойство находило применение в ртутно-паросиловых установках. Еще одно замечательное свойство ртути связано с тем, что при растворении в ней металлов образуются амальгамы - металлические системы, одним из компонентов которых является ртуть. Они не отличаются от обычных сплавов, хотя при избытке ртути представляют собой полужидкие смеси. Соединения, получающиеся в результате амальгамирования, легко разлагаются ниже температуры их плавления с выделением избытка ртути, что нашло широкое применение при извлечении золота и серебра из руд. Амальгамированию подвержены металлы, смачиваемые ртутью. Стали, легированные углеродом, кремнием, хромом, никелем, молибденом и ниобием, не амальгамируются.

В соединениях ртуть проявляет степень окисления +2 и +1. В специальной литературе в таких случаях обычно указывается соответственно Hg(II) или Hg(I). Обладая высоким потенциалом ионизации, высоким положительным окислительным потенциалом, ртуть является относительно стойким в химическом отношении элементом. Это обусловливает ее способность восстанавливаться до металла из различных соединений и объясняет частые случаи нахождения ртути в природе в самородном состоянии. Обычно самородная ртуть содержит небольшие количества других металлов, в том числе золото и серебро, т. е., по сути, является амальгамой. Известны минералы ртути, в которых содержания благородных и других металлов очень высоки (ртутистое серебро, ртутистое золото, ртутистый палладий, ртутистый свинец, амальгамид золота и др.). Ртуть весьма агрессивна по отношению к различным конструкционным материалам, что приводит к коррозии и разрушению производственных объектов и транспортных средств. Так, в 1970-е гг. довольно актуальной была проблема загрязнения самолетов, в конструкции которых попадала ртуть, вызывающая жидкометаллическое охрупчивание алюминиевых сплавов. Самолеты направлялись на капитальный ремонт и даже снимались с эксплуатации.

На воздухе ртуть при комнатной температуре не окисляется. При нагреве до температур, близких к температуре кипения (300-350оС), она соединяется с кислородом воздуха, образуя красный оксид двухвалентной ртути HgO, который при дальнейшем нагревании (до 400оС и выше) снова распадается на ртуть и кислород. Желтый оксид ртути HgO получается при добавлении щелочей к водному раствору соли Hg(II). Существует и оксид ртути черного цвета (Hg2O), нестойкое соединение, в котором степень окисления ее равна +1. В соляной и разбавленной серной кислотах и в щелочах ртуть не растворяется. Но она легко растворяется в азотной кислоте и в царской водке, а при нагревании - в концентрированной серной кислоте. Металлическая ртуть способна растворяться в органических растворителях, а также в воде, особенно при отсутствии свободного кислорода. Растворимость ее в воде зависит также от рН раствора. Минимальная растворимость наблюдается при рН=8, с увеличением кислотности или щелочности воды она увеличивается. В присутствии кислорода ртуть в воде окисляется до ионной формы Hg2+ (создавая концентрации до 40 мкг/л).

Ртуть реагирует с галогенами (хлор, йод, фтор, бром), серой, селеном, фосфором и другими неметаллами. Практическое значение имеют йодная ртуть HgJ, хлористая ртуть (каломель) Hg2Cl2 и хлорная ртуть (сулема) HgCl2. При взаимодействии ртути с серой образуется сульфид ртути HgS - самое распространенное в природе ее соединение, в форме которого добывается почти вся ртуть. Оно известно в трех модификациях: красная (идентичная минералу киноварь), черная (черный сульфид ртути, или метациннабарит) и в-киноварь (в природных условиях не обнаружена). Из других соединений ртути известны такие, как гремучая ртуть Hg(ONC)2, нитрат Hg(NO3)2, сульфат (HgSO4) и сульфит (HgSO3) ртути, красный и желтый йодид ртути и др. При воздействии на соли ртути аммиака образуются комплексные соединения (белый плавкий преципитат HgCl.2NH3, белый неплавкий преципитат HgNH2Cl и др.).

Существует большое количество ртутьсодержащих органических соединений, в которых атомы металла связаны с атомами углерода. Среди них выделяют две основных группы: 1) арилртутные соединения, как правило синтетические, характеризующиеся присутствием в их молекуле радикала ароматических углеводородов; 2) алкилртутные (метил- и диметилртутные) соединения, имеющие в своем составе однозамещенный углеводородный радикал и образующиеся в природных условиях (например, ион метилртути СH3-Hg+). Химическая связь углерода и ртути очень устойчива. Она не разрушается ни водой, ни слабыми кислотами, ни основаниями. С позиций опасности для живых организмов (т. е. с позиций токсикологии - науки о ядах) наиболее токсичными из металлоорганических соединений ртути являются алкилртутные соединения с короткой цепью, прежде всего, метилртуть.



2. Попадание в окружающую среду

2.1 Ртуть и природная среда

В соединениях ртути основным действующим компонентом является сама ртуть. При попадании в окружающую среду, ртуть может за счет химических реакций переходить из одного соединения в другое, из микрокапелек жидкой ртути может становиться паром ртути, может адсорбироваться на стройматериалах. Но для того, чтобы она перестала быть ртутью, она должна попасть в атомный реактор. Лишь после этого, возможно, она превратиться в другой элемент, может быть, менее токсичный. Таким образом, устойчивость у ртути, как и у других тяжелых металлов, очень большая. Конечно, можно говорить об устойчивости различных соединений ртути, но при переходе из одних соединений в другие, опасность может немного уменьшиться или увеличиться, но она никогда не исчезнет. Именно поэтому важно не выпустить ртуть в окружающую среду, держать ее всегда «под замком».

Вещество может быть опасным для живых существ и по причине высокой липофильности, т. е. если вещество хорошо растворимо в жирах. Липофильные соединения легко проникают сквозь оболочку человеческих или животных клеток. Они могут накапливаться в организмах, особенно в их жировых тканях. В то же время вещества, легко растворимые в воде (гидрофильные), легко выводятся из организма вместе с жидкостями «на водной основе» пот, моча, слезы. Такие вещества не усваиваются живыми существами в такой мере, как жирорастворимые вещества.

Многие соединения ртути хорошо растворяются в воде, а, следовательно, вместе с ней и могут путешествовать. Это значит, что растения на полях могут через свои корни поглотить эти вещества, а мы, люди, скушав продукты, приготовленные из этих растений, можем отравиться этими химикатами.

Цепи питания - это такие отношения между животными, растениями, бактериями, грибами и человеком, которые строятся по принципу кто кого ест. Ртуть, как и многие другие опасные вещества, способна накапливаться, переходя от одного к другому звену цепи питания.

В Мировом океане накоплено около 50 млн т соединений ртути, а естественный вынос ртути в океан в результате эрозии составляет 5 тыс. т в год. При ПДК для поверхностных вод 0,0005 мг/л концентрации растворенной ртути в природных водах варьируют от нанограммов до микрограммов в литре (для незагрязненных водных экосистем менее 1 мкг/л). При этом в хорошо аэрируемых водах, для которых окислительно-восстановительный потенциал среды Е(h)>0,5, преобладает двухвалентная ртуть (в виде Нg(+2) или CH3Hg+), а при восстановительных условиях - Hg(0). При интенсивном взаимодействии ртути с твердыми взвешенными частицами размером менее 0,45 мкм доля связанной ртути в 10 тыс. раз больше, чем растворенной. В донных отложениях ртуть практически полностью связана с фракцией частиц диаметром менее 20 мкм. Среднее фоновое содержание растворенной ртути в реках и озерах составляет 0,09 мкг/л и взвешенной ртути - 0,23 мкг/л.

Основной путь попадания ртути в водные экосистемы - сбросы сточных вод в виде гомогенных и коллоидных растворов и взвесей. Количество антропогенной ртути, поступающей в поверхностные водные экосистемы, составляет 57 тыс. т, что в 10 раз превышает поступление из природных источников. В водных экосистемах катионы ртути образуют большое количество устойчивых комплексных соединений с различными органическими и неорганическими лигандами.

Закономерностей в распределении Hg по площади не установлено. Содержание Hg-взвеш зависит от содержания взвешенного вещества. Оно обычно минимально ранней весной, несколько повышается летом, падает осенью и повышается в периоды зимних штормов. Основными источниками поступления ртути являются: региональный привнес в виде мокрых и сухих осадков, поступление из городских районов, привнес реками, незначительная доля приходится на подземные воды.

Первоначально ртуть попадает в океан в виде иона Нg2+, затем она быстро взаимодействует c органическими веществами и c помощью анаэробных организмов переходит в сильно токсичные формы: метилртуть (СН3Нg)+ и диметилртуть (СН3)2Hg. Диметилртуть стабильна при высоких рН, но превращается в (СН3Нg)+ при низких значениях рН. Такие условия могут возникать в придонных илистых слоях рек или озер. Так как метилртуть растворима, она быстро внедряется в организмы, живущие в водной среде, и, в конце концов, попадает в организм человека, как высшего звена пищевой цепочки.

2.2 Ртуть в атмосфере

До индустриальной революции осаждение ртути из атмосферы составляло около 4 нанограммов на литр льда. Природные источники, такие, как вулканы, составляют примерно половину всех выбросов атмосферной ртути. За оставшуюся половину ответственна деятельность человека. В ней основную долю составляют выбросы в результате сгорания угля главным образом в тепловых электростанциях -- 65 %, добыча золота -- 11 %, выплавка цветных металлов -- 6,8 %, производство цемента -- 6,4 %, утилизация мусора -- 3 %, производство соды -- 3 %, чугуна и стали -- 1,4 %, ртути (в основном для батареек) -- 1,1 %, остальное -- 2 %.

Одно из тяжелейших загрязнений ртутью в истории случилось в японском городе Минамата в 1956 году, что привело к более чем трём тысячам жертв, которые либо умерли, либо сильно пострадали от болезни Минамата.

Одним из источников поступления ртути в атмосферу является дегазация земной коры. В атмосфере постоянно содержится 200-250 т ртути. Ртуть содержится примерно в равных количествах в виде паров и в аэрозольном состоянии. Время нахождения ртутных паров в атмосфере колеблется от 0,4 до 3 лет. В слабозагрязненном воздухе концентрация ртути составляет 0,8-1,2 нг/м3, в районах крупных ртутных месторождений - до 240 нг/м3, в районах газовых месторождений - до 70000 нг/м3, в то время как среднее содержание ее в атмосфере 0,5-2,0 нг/м3. Содержание ртути в воздухе вокруг предприятий, производящих или потребляющих ртуть, на расстоянии до 2 км может превышать ПДК в 4-5 и более раз. В радиусе 5 км от организованного источника выпадает не более 6-10 % валового выброса ртути, около 60 % переносится на расстояние до 100 км. О масштабах ртутного загрязнения воздуха закрытых помещений свидетельствуют результаты обследования образовательных и медицинских учреждений. Более чем в половине из охваченных обследованием нескольких сотен школ имеются источники и очаги ртути. Каждый второй объект из больниц, поликлиник и стоматологических кабинетов показывает наличие ртути и ее паров. В жилых помещениях, где разбивался хоть один термометр, концентрация паров ртути спустя годы превышает ПДК. В связи с этим должна быть выработана система общегосударственных мероприятий по наблюдению, контролю и ликвидации ртутных загрязнений.

В геохимических циклах ртути большую роль играет ее атмосферный перенос. Из техногенных источников ртуть поступает в окружающую среду преимущественно с атмосферными осадками. Германскими специалистами разработаны модели для оценки долговременного переноса и химической трансформации соединений ртути, с помощью которых определены масштабы сброса атмосферной ртути в Северное и Балтийское моря. Изучены особенности поведения неорганических соединений двухвалентной ртути и роль частиц сажи, осаждающих на себя ртуть. Правильность модели подтверждена измерениями сброса ртути в Скандинавском регионе: в Северное и Балтийское моря -5-12 т/год. Атмосферные выпадения приводят к тому, что большая часть ртути осаждается в озерах и других водных объектах. Для изучения этого процесса в сельских местностях штатов Миннесота, Северная Дакота и Мичиган (США) были созданы 7 станций, проводивших мониторинг ртутного осаждения.

Трехлетнее исследование показало, что величина ртутного выпадения зависит от скорости осаждения больших концентраций ртути летом.

После попадания ртути в атмосферу она переносится с ветром и в конечном итоге выпадает на землю. Находясь в воздухе, ртуть до выпадения на землю может перемещаться на короткие или на очень большие расстояния, она может даже обогнуть весь земной шар. Часть ртути, выпадающей на поверхность воды или на землю, впоследствии может испаряться, снова переноситься с воздушными массами и выпадать в других местах. Ртуть, которая выпадает на землю и не испаряется, скорее всего будет связываться органическими соединениями.

В России, в поселке Амдерма ( Ненецкий АО) расположена крупная станция мониторинга окружающей среды, которая передает данные для отслеживания годовых колебаний концентраций загрязняющих веществ в атмосфере. ртуть атмосфера экосистема токсический

Некоторая часть ртути связывается торфом или почвой. Остальная ртуть в конечном итоге переносится ручьями и реками в озера и океаны. В водной среде элементарная ртуть вероятнее всего будет связываться взвешенными частицами и переноситься реками и океаническими течениями. Часть ртути остается в растворенном состоянии в водной толще. В водных экосистемах микроорганизмы могут превращать элементарную ртуть в метилртуть - металлорганическое соединение, которое в малых дозах гораздо токсичнее чистой ртути. Метилртуть попадает в пищевые цепи водных экосистем, она подвергается биоаккумуляции и биоконцентрации и переносится мигрирующими видами.

Одним из источников поступления ртути в атмосферу является дегазация земной коры. В атмосфере постоянно содержится 200-250 т ртути. Ртуть содержится примерно в равных количествах в виде паров и в аэрозольном состоянии. Время нахождения ртутных паров в атмосфере колеблется от 0,4 до 3 лет. В слабозагрязненном воздухе концентрация ртути составляет 0,8-1,2 нг/м3, в районах крупных ртутных месторождений - до 240 нг/м3, в районах газовых месторождений - до 70000 нг/м3, в то время как среднее содержание ее в атмосфере 0,5-2,0 нг/м3. Содержание ртути в воздухе вокруг предприятий, производящих или потребляющих ртуть, на расстоянии до 2 км может превышать ПДК в 4-5 и более раз. В радиусе 5 км от организованного источника выпадает не более 6-10 % валового выброса ртути, около 60 % переносится на расстояние до 100 км.

О масштабах ртутного загрязнения воздуха закрытых помещений свидетельствуют результаты обследования образовательных и медицинских учреждений. Более чем в половине из охваченных обследованием нескольких сотен школ имеются источники и очаги ртути. Каждый второй объект из больниц, поликлиник и стоматологических кабинетов показывает наличие ртути и ее паров. В жилых помещениях, где разбивался хоть один термометр, концентрация паров ртути спустя годы превышает ПДК. В связи с этим должна быть выработана система общегосударственных мероприятий по наблюдению, контролю и ликвидации ртутных загрязнений.

В геохимических циклах ртути большую роль играет ее атмосферный перенос. Из техногенных источников ртуть поступает в окружающую среду преимущественно с атмосферными осадками.

Одним из основных источников загрязнения атмосферы ртутью является сжигание различных отходов. В продуктах горения угля около 20-50 % находится в виде элементарной ртути (Hg(0)), а около 50-80 % - Hg(+2) (в виде HgCl2). При сжигании других видов отходов соотношение форм Hg(0) и Hg(+2) составляет 10-20 и 75-86 % соответственно. Распределение ртути между этими двумя формами в газовых выбросах зависит от концентраций взвешенного C, HCl и других загрязняющих веществ. Величина и характер выбросов ртути из источников горения определяются как формами ее существования в газовом потоке, так и механизмом контроля выбросов, т.е. применяемыми очистными фильтрами и системами поглощения.

Hg⁺² хорошо растворима в воде и поэтому может удаляться из загрязненной выбросами атмосферы при сухом или мокром осаждении вблизи источника загрязнения. Сочетание высокого давления пара и низкой растворимости в воде способствует переносу Hg в атмосфере на дальние расстояния. Фоновое содержание ртути в атмосфере обусловлено в основном присутствием Hg(0). Она удаляется из атмосферы при сухом выпадении на земную поверхность и мокрым осаждением после окисления Hg(0) и ее переводав водорастворимую Hg⁺².

2.3 Ртуть в почве

Загрязнение почв ртутью определяется функционированием предприятий цветной металлургии, применением ртутьсодержащих фунгицидов, использованием сточных вод в целях орошения и разработкой месторождений ртути. Накопление ртути в окружающей среде некоторые авторы связывают с применением соединений ртути в сельском хозяйстве. В настоящее время соединения ртути в большинстве стран используются практически только в качестве протравителей семян.

Наиболее широкое применение получили различные соли метилртути, этилртути, метоксиэтилртути и фенилртути. Ртуть в почвенном покрове распределяется неоднородно, концентрации ее зависят от уровня содержания ртути в почво-образующих породах и колеблется в пределах 0,005-1,275 мг/кг (Сибирь), 0,005-0,46 мг/кг (США). Распределение ртути по профилю зависит от свойств почв - гранулометрического, количественного и качественного состава органического вещества, рН среды, содержания карбонатов.

Высокие концентрации ртути наблюдаются в почвах на территории вблизи ртутных месторождений, особенно находящихся над рудными телами. В почвах ртутных ореолов рассеяния содержание ртути в 2-3 раза выше фоновых значений. Большое влияние на закрепление ртути в почве оказывают органические вещества. В одном и том же элементарном ландшафте ртуть в большей степени аккумулируется в обогащенных органикой участках. Вниз по разрезу доля ртути, переходящей в солянокислую вытяжку, увеличивается с уменьшением количества гумуса. Таким образом, процессы перераспределения ртути в малом цикле почва - растение усиливают депонирующую роль почвы и ее информативность для выявления загрязнения окружающей среды.

Органические соединения ртути используются в сельском хозяйстве в качестве фунгицидов, пестицидов, а также в фармацевтической промышленности. В основе рекультивации земель, загрязненных ртутью, лежит перевод ртути в химически и биологически малоактивные формы. Использование биохимического метода основано на использовании растений - концентратов селена. Они способствуют "вытягиванию" ртути из более глубоких в верхние горизонты почвы и затем превращают ее в малорастворимый селенид ртути, не участвующий в биохимических процессах. Как полагают, эти растения могут найти применение для перевода ртути в биологически неактивный селенид при лечении ртутных интоксикаций.

2.4 Воздействие ртути на живые организмы

2.4.1 Ртуть в растениях

Наличие остаточных токсикантов в почве, в частности, тяжелыx металлов, может вызвать загрязнение растений, произрастающих на ней. Загрязнение почвы ртутью оценивается вблизи источника загрязнения, а доступность ртути - по степени ее поглощения растениями. По валовому количеству ртути в почве нельзя судить о степени ее поглощения растениями, поскольку доступность элемента зависит от многих параметров, среди которых рН, количество органического вещества и карбонатов в почве.

Растения чаще всего содержат ртуть в меньших количествах, чем почвы, но в процессе минерализации растительных остатков возможно накопление ртути в верхних горизонтах. Величина отношения корни/надземная часть обычно меньше 1. Тонкие корни в большей степени, чем крупные, накапливают ртуть и играют роль барьера. В дерновом горизонте почв наблюдается отчетливое увеличение содержания ртути в надземных и корневых органах растений (0,018-3,0 мг/кг) по мере повышения ее концентрации в почве. Минимальное содержание Hg (0,01-0,02 мг/кг) накапливается в растениях, произрастающих на почвах с низкими концентрациями ртути (до 0,10 мг/кг).

Концентрация ртути в листьях и ризомах водорослей Thalassia testudinum из различных пунктов вблизи побережья Венесуэлы колеблется в пределах 3-6 и 8-15 ч/млн соответственно при ее концентрации в донных отложениях 6-9 ч/млн. На участках с повышенным общим уровнем антропогенного загрязнения морской среды концентрация ртути в донном грунте достигала 26-37, а в листьях и ризомах водорослей соответственно 16-30 и 21-47 ч/млн. Из этого следует, что ризомы водорослей способны накапливать ртуть из загрязненного ею донного грунта и могут служить ее источником для многих эпифитных организмов.

Ртуть в концентрациях более 557 мг/кг обнаружена в корнях и побегах водных и наземных растений в зоне расположения завода по производству поташа. Отмечена корреляция содержания в растениях с концентрациями ртути в почве и воде. Наибольшей устойчивостью к токсическому действию ртути обладают Cyperus rotundus, Cynodon dacrylon и Chloris barbata (в порядке увеличения). Среди водных растений максимальная концентрация Hg обнаружена в корнях и побегах Marsiela sp. и Paspalum scrobiculatum, а минимальная - у Васора monniera. Большинство наземных растений характеризуется разной концентрацией Hg в корнях и надземных органах. Биоаккумуляции Hg в растениях риса, выращенного на прилегающих к заводу полей, не установлено, однако она определена в капусте и амарантусе, произраставших на одном из наиболее загрязненных участков. Полученные результаты свидетельствуют о мозаичном распределении участков повышенного загрязнения Hg в зоне расположения завода по производству поташа.

2.4.2 Воздействие ртути на животных и человека

Ртуть встречается в окружающей среде в различных химических формах и соединениях, характеризующихся различным уровнем токсичности. Наиболее опасными являются органические соединения ртути, производимые микроорганизмами, обитающими, например, в донных отложениях, и способными преобразовывать неорганическую ртуть в органические формы. Наиболее широко распространенным органическим соединением ртути является метилртуть, вследствие чего этот термин часто используется в качестве собирательного названия для всех органических соединений этого металла. Попадая в организм животных, прежде всего, рыб, метилртуть аккумулируется в жировых тканях, с которыми она поступает в организм других видов, находящихся на более высоких трофических уровнях, в т.ч. человека.

Метилртуть особенно опасна для развивающегося плода и детского организма. Основным эффектом этого вещества являются нарушения, связанные с негативным воздействием на развитие головного мозга и нервной системы ребенка. У детей, подвергшихся внутриутробному воздействию метилртути, наблюдаются изменения познавательных способностей, памяти, внимания, а также языковых, тонких моторных и зрительно-пространственных навыков. Кроме того, симптомы отравления метилртутью могут включать нарушения координации движений, нарушения речи, слуха и ходьбы, а также мышечную слабость. Установлена также связь воздействия метилртути на взрослый организм с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний.

Хотя неорганические формы ртути менее опасны, их воздействие также связано с крайне серьезными негативными эффектами для здоровья. У человека наблюдаются неврологические расстройства и нарушения поведения вследствие вдыхания паров элементарной ртути, внутреннего или внешнего применения ртутьсодержащих лекарственных препаратов, а также приема пищи, загрязненной ртутью. Конкретные симптомы нейротоксического характера могут включать треморы, эмоциональную нестабильность, бессонницу, снижение памяти, нейромышечные изменения, головные боли, полиневриты (полиневропатии), а также снижение результативности при тестировании когнитивных и двигательных функций.

Даже в обычных условиях ртуть обладает повышенным давлением насыщенных паров и испаряется с довольно высокой скоростью, которая с ростом температуры увеличивается. Это приводит к созданию опасной для живых организмов ртутной атмосферы. Например, при 24оС атмосферный воздух, насыщенный парами ртути, может содержать их в количестве около 18 мг/м3; такой уровень в 1800 раз превышает ПДК (предельно допустимую концентрацию) ртути в воздухе рабочей зоны и в 60000 раз ПДК в атмосферном воздухе. Ртуть способна испаряться через слои воды и других жидкостей. Кроме благородных газов, ртуть является единственным элементом, образующим пары, которые при комнатной температуре одноатомные (Hgo). В нормальных условиях растворимость паров ртути в воде, свободной от воздуха, составляет около 20 мкг/л.



3. Защита окружающей среды от соединений ртути

3.1 Оборудования, используемые для определения ртути

Класс опасности- 1,

· ПДК в населённых пунктах (среднесуточная) -- 0,0003 мг/мі

· ПДК в жилых помещениях (среднесуточная) -- 0,0003 мг/мі

· ПДК воздуха в рабочей зоне (макс. разовая) -- 0,01 мг/мі

· ПДК воздуха в рабочей зоне (среднесменная) -- 0,005 мг/мі

· ПДК сточных вод (для неорганических соединений в пересчёте на двухвалентную ртуть) -- 0,005 мг/л

· ПДК водных объектов хозяйственно-питьевого и культурного водопользования, в воде водоёмов -- 0,0005 мг/л

· ПДК рыбохозяйственных водоёмов -- 0,00001 мг/л

· ПДК морских водоёмов -- 0,0001 мг/л

3.2 Токсические свойства ртути

В отличие от многих веществ, которые в газовой фазе находятся в форме двух-, трех- и четырехатомных молекул, ртуть существует в виде атомов Нg. Попадая в легкие, пары ртути проникают в кровеносную систему и вступают в химическое взаимодействие с белками-ферментами, биокатализаторами, которые осуществляют в нашем организме тысячи химических процессов. Одни ферменты, связавшись атомами ртути, теряют свои каталитические свойства, а другие - начинают ускорять реакции, продуктами которых являются вещества, отравляющие организм.

Так или иначе, каждый из нас имеет дело c ртутью. Всем нам приходится измерять температуру тела. Возможна такая ситуация, когда при измерении температуры градусник выпадает у вас из рук и... разбивается. Мельчайшие капельки ртути рассыпаются по полу. Обстоятельства осложняются, если это происходит в помещении, где паркетный пол: тогда капельки попадают в щели между планками. Концентрация ртути становится больше ПДК примерно в 100 раз. В этом случае необходимо выполнить ряд действий для предотвращения хронического отравления обитателей комнаты:

1. Собрать с помощью медной (латунной) проволоки (пластинки) или листочков фольги («серебряной», оловянной бумажки от конфет) вытекшую ртуть. К медной и оловянной поверхности жидкая ртуть, смачивая ее, прилипнет. Для этого также можно воспользоваться обыкновенной медицинской грушей. После сбора капель места, где могла задержаться ртуть, надо засыпать порошком серы или алюминиевой пылью или же залить раствором хлорида железа (III).

2. Поместить в стеклянную баночку все собранные шарики и отвезти на ближайшую санитарно-эпидемиологическую станцию.

3. Место, где находилась ртуть, протереть влажной тряпкой, после чего тщательно вымыть руки (а тряпку выбросить).

Опасность хронического отравления ртутью заключается в том, что человек в течение длительного времени не обнаруживает признаков расстройства здоровья. В это время и происходит развитие тех биологических изменений, результатом которых становятся тяжелые последствия, а именно: повышенная возбудимость, острые головные боли, общая слабость, повышенная утомляемость, прогрессирующее ослабление памяти, обмороки. Позже начинают дрожать руки, веки, в тяжелых случаях - ноги. Эти признаки хронического отравления ртутью могут сопровождаться разрыхлением десен, выпадением зубов и волос, расстройством пищеварительного тракта.

Организм детей и женщин более чувствителен к воздействию ртути, чем организм мужчин.

Арабские алхимики и врачи, не знавшие о пагубных последствиях нахождения в помещении со ртутью, заметили, что скорпионы покидают жилище, в котором разлита ртуть. Это происходит потому, что ферментные белки скорпиона отличаются от человеческих. Молекулы тканей скорпиона немедленно «ощущают» действие атомов ртути, например, на ферменты, обеспечивающие процесс дыхания. Было бы неплохо иметь и человеку такую «сигнальную систему раннего реагирования» на наличие в воздухе паров ртути. А пока ничтожное содержание ртути в воздухе лабораторий и промышленных предприятий химики определяют на основе чувствительных цветовых реакций.

Ртуть - единственный (в природных условиях) жидкий металл, который испаряется даже при комнатной температуре. Ее пары имеют свойство равномерно распространяться по всему объему, сорбируясь тканями, деревянными изделиями и материалами различных конструкций. При температуре выше 28 °С ртуть начинает испаряться и ее пары снова попадают в воздух. Поэтому ее действие всеобъемлюще: она загрязняет почву, воздух и воду.

Если металлическая ртуть по разным причинам попадает в организм человека, отравляющего эффекта не наблюдается. В литературе описывается случай, когда в кровь человека попало несколько миллилитров ртути. Жидкая ртуть в течение девяти лет обнаруживалась при рентгеноскопии в желудочке сердца и на поверхности легких. Но признаков ртутного отравления не наблюдалось.

Известно, что в старину заворот кишок лечили, давая больному выпить стакан ртути. Основная масса ртути, пройдя через кишечник, выводится из организма, но капельки ее задерживались в организме, не вызывая негативных последствий.

Металлическая ртуть практически безвредна для живых существ, т. к. в организме процесс образования иона двухвалентной ртути Hg - 2e = Hg2+, который и может вызвать отравление, не происходит.

Токсичность паров ртути объясняется изменением химических свойств вещества при его измельчении, в предельном случае - атомизации вещества, которая является очень эффективным способом повышения его химической активности.

Соединения одновалентной ртути менее токсичны, чем соединения двухвалентной ртути.

Наиболее опасны для живого органические соединения ртути, например ионы метилмеркулхлорида CH3HgCl.

Соединения одновалентной ртути обладают низкой растворимостью в воде, соединения двухвалентной ртути, напротив, водорастворимы. Ртутьорганические соединения хорошо растворяются в жирах. Диметилртуть (СН3)2Hg летуча и легко впитывается кожей.

Для определения ртути в природных объектах и искусственных материалах используются различные приборы, в основе которых лежат физические и химические методы анализа: атомные абсорбция и флюоресценция, химические, спектральные, гравиметрические, электрохимические, рентгеновские, масс-спектрометрические и др. Для селективного определения метилртути или других органических компонентов, особенно в биологических объектах, используется газовая хроматография. Довольно часто для определения общей ртути применяется нейтронная активация, позволяющая ее исследовать распределение в любых средах. Это очень точный и чувствительный метод, используемый обычно как эталонный. За рубежом в практической деятельности широкое применение нашел селективный атомно-абсорбционный метод «Magos», позволяющий определять как общую, так и неорганическую ртуть, и по разности находить органическую ртуть. Прибор относительно недорогой, портативный и требует сложного оборудования.

В нашей стране широкое применение получили спектрофотометрические методы: атомная флуоресцентная спектрометрия и особенно атомная абсорбция (метод холодного пара, беспламенный метод, метод по Зееману). Непосредственно в практике работ природоохранных, санитарно-эпидемиологических, ртутометрических и демеркуризационных организаций наибольшее распространение получили атомно-абсорбционные анализаторы АГП-01, Юлия-2 и Ртуть-101 (Ртуть 102).

Анализатор газортутный переносной АГП-01 серийно выпускается с 1986 г. Он предназначен главным образом для лабораторных и полевых измерений содержаний газообразной ртути в атмосферном и почвенном воздухе. В комплект прибора входит также устройство возгонки ртути УВ-1, предназначенное для термической возгонки стандартных образцов и используемое метрологическими центрами при проведении поверок анализатора. К анализатору была сконструирована специальная приставка, позволяющая определять ртуть в растворах и твердых материалах. В настоящее время выпускается новая модификация анализатора АГП-01М, предназначенная для определения ртути в воздухе, жидкостях, почве, пищевых продуктах и кормах (возможна модернизация АГП-01 в АГП-01М). Его комплектация включает, кроме анализатора, поисковый щуп, блоки питания аккумуляторный и сетевой, зонд-воздухозаборник, приставка ПАР-3 (позволяющая определять ртуть в других средах), устройство возгонки УВ-1 с комплектом стандартных образцов. Система измерения АГП-01М включает два тракта воздухозабора. Первый тракт используется для лабораторных и полевых измерений в атмосферном и почвенном воздухе малых концентраций паров ртути с промежуточным накоплением ртути на золотом сорбенте. Второй тракт, в обход сорбента для обеспечения его чистоты и долговечности, используется для прямых измерений высоких концентраций ртути в воздухе (5-100 ПДК).

Анализатор Ртуть-101 разработан в 1979 г. и начал серийно выпускаться с 1983 г. Он основан на использовании метода холодного пара и атомно-абсорбционной спектрометрии; диапазон измерений 0-10 мкг/л, предел обнаружения 0,5 мкг/л, объем пробы (раствора) не более 100 мл. Для определения общего содержания ртути в природных и сточных водах ее окисляют до двухвалентной, затем восстанавливают до металлической двухлористым оловом и выдувкой в газовую фазу анализатора, где поглощение парами ртути излучения изменяется на резонансной ртути 253,7 нм, что позволяет определять в водах ртуть уже при содержаниях ее до 0,1 мкг/л. Следующая модификация - Ртуть-102 (1985 г.) - практические идентична предыдущей, но был уменьшен предел обнаружения (до 0,4 мкг/л) и объем анализируемой пробы (до 5-20 мл); диапазон измерения (в разных вариантах) может составлять 0-10, 0-20, 0-100, 0-200 мкг/л.

Анализатор Юлия-2 (Юлия-2М) также основан на использовании метода холодного пара и атомно-абсорбционной спектрометрии. Первоначально предел обнаружения составлял 1,5 мкг/л (3 нг), объем пробы 2 мл. При высоких содержаниях ртути, например в водах и других растворах, это давало возможность выполнять измерение «напрямую». Предварительное экстракционное концентрирование ртути из воды увеличивало чувствительность определения до 0,005 мкг/л. При исследовании твердых материалов (почвы и т. п.), взятые для анализа навески, предварительно переводятся в раствор (разлагаются кислотами в специальных колбочках с воздушным холодильником). На базе этого анализатора стали создаваться усовершенствованные установки, в том числе автономные приборы с цифровой индикацией, позволяющие обнаруживать 5.10-5 мкг ртути. В настоящее время выпускается анализатор Юлия-2МЦ, представляющий собой микропроцессорный измерительный портативный прибор для измерений ртути в любых растворах, основанный на использовании непламенного атомно-абсорбционного метода (чувствительность 0,5 нг/см3; при объемах проб 10 см3 - диапазон измеряемых концентраций от 0,1 нг/см3). Известен также портативный анализатор Юлия-5К, предназначенный для прямого (без предварительного концентрирования) определения ртути в пищевых продуктах, продовольственном сырье, водах и других материалах. Принцип действия его основан на методе атомной абсорбции в модификации «метод холодного пара». Диапазон измерений массовой концентрации ртути (без концентрирования) от 0,1 до 10,0 мкг/дм3.



3.3 Очистка атмосферы от ртути

Существует много процессов выделения, содержащих ртуть газов, не только на предприятиях, производящих ртуть, но также таких процессах, как получение хлора с помощью щелочей, при обжиге, спекании, в процессах восстановления металлов из лома, а также на заводах, где производят обжиг сульфидных минералов с получением SO₂ и H₂SO₄, или при извлечении таких металлов, как свинец, медь, цинк и т.д.

Газы с высоким содержанием ртути очищают как сухим способом (с помощью декантаторов, элекростатических осадителей и т.д.), так и мокрым: промывкой и охлаждением, с применением мокрых электрофильтров и т.д., однако несмотря на эти меры, из-за высокого давления насыщенных паров ртути газ может содержать значительное количество ртути. Например, газ, охлажденный до 30^oC, может содержать до 30 мг/нм³.

Как по причинам экологического характера, если газы выпускаются в атмосферу, так и в силу предотвращения загрязнения продуктов, произведенных с помощью этих газов, необходимо обеспечить соответствующую очистку для того, чтобы снизить содержание ртути до 0,05 мг/нм³.

На картинке предложен способ отделения Hg от содержащих ее газов, включающий контактирование указанных газов в единственной промывной колонне с раствором, содержащим комплекс ртути , стабильный в кислой среде, возможно, содержащей суспендированный активный уголь, отличающийся тем, что сбор и осаждение Hg в виде сульфида ртути и регенерацию комплекса ртути осуществляют одновременно путем инжекции газообразного H₂S в указанную промывную колонну.

Для достижения хороших результатов температура газа на входе промывной колонны не должна быть выше 50^oC.

В соответствии с изобретением, сбор и осаждение ртути происходит в результате нескольких реакций, дающих соединения ртути (1), которые сразу же окисляются и осаждаются в виде сульфида ртути (11).

Эти реакции могут быть сведены к следующим:

Hg⁰ + [I₄Hg]H₂--->I₂Hg₂ + 2HI (1)

I₂Hg₂ + 2HI + H₂S ---> [I₄Hg]H₂ + HgS + H₂ (2)

Hg⁰ + [I₄Hg]H₂ + H₂S ---> [I₄Hg]H₂ + HgS + H₂ (3)

В случае использования тиоцианата в качестве комплексообразующего аниона реакции будут теми же, но с заменой I^- на SCN^-.

Как видно из приведенных выше реакций, концентрация комплекса ртути остается неизменной при условии контроля за инжекцией сероводорода, благодаря чему нет необходимости извлекать жидкость из промывной колонны для регенерации, как это требуют известные к настоящему времени способы.

Добавление сероводорода легко контролировать, поскольку достаточно проанализировать количество Hg(II) в растворе и поддерживать его на первоначально фиксированном уровне концентрации.

Если в качестве комплексообразующего агента используют анион иодида, концентрацию Hg(II) нужно поддерживать в интервале от 0,3 и 1,0 г/л, а если в качестве комплексообразующего агента используют анион тиоцианата, концентрация должна составлять от 3 до 10 г/л. Можно работать с большими концентрациями Hg(II), но это нежелательно, как с финансовой точки зрения, поскольку тогда будет требоваться большая концентрация комплексообразующих анионов, так и с практической точки зрения, так как очищенный газ может загрязняться при извлечении промывочного раствора с высоким содержанием ртути.

Концентрация комплексообразующих анионов должна быть больше стехиометрического количества, чтобы при образовании комплекса ртути (II) избежать возникновения условий, при которых становятся устойчивыми промежуточные соединения ртути (1).

Промывной раствор должен быть слабокислым, и так как его кислотность не изменяется в течение процесса, то при приготовлении первоначального промывного раствора достаточно добавить в него 2 г/л серной кислоты H₂SO₄.

Несмотря на это, использование большей концентрации кислоты не уменьшает эффективности системы.

В некоторых случаях, когда концентрация ртути в газе велика, реакция перегруппировки может идти быстрее, чем реакция окисления и осаждения (2). В этом случае, чтобы препятствовать уходу Hg⁰, можно использовать активированный уголь, который адсорбирует Hg⁰ и облегчает ее окисление и осаждение.

Способ в соответствии с изобретением характеризуется простотой и позволяет провести весь процесс в одну стадию при использовании единственной промывной колонны.

Как показано на чертеже, промывная колонна имеет впускное отверстие 1 для содержащих ртуть газов, инжектор 2 сероводорода H₂S (газа), резервуар 3, содержащий промывной раствор и снабженный выходным отверстием 4 для вывода твердых веществ, содержащих ртуть, а также входное отверстие 5, через которое вводят реактивы. Промывную жидкость подают насосом 6 через трубу 7, снабженную вентилем 8 для отбора пробы, в устройство 9, предназначенное для орошения пространства 10 внутри емкости. Газ, поступающий в промывную колонну, проходит капельный сепаратор 11 и выходит уже очищенным от ртути через трубопровод 12.

В сравнении с известными способами предлагаемый способ обладает следующими преимуществами:

процесс происходит в одну стадию и требует использования только одной промывной колонны, газы, предназначенные для очистки, не обязательно должны содержать SO₂ для окисления элементарной ртути, вследствие того настоящее изобретение применимо не только к газам, полученным при прокаливании сульфидных минералов, но также к другим типам газов, содержащих ртуть;

не требуется ни второй стадии для регенерации раствора, ни использования дополнительных окислителя.

Инжекция H₂S (газа) в промывную колонну сама по себе является ключом к способу в соответствии с настоящим изобретением, так как эта инжекция

- не изменяет объема промывной жидкости потому, что добавляемое вещество находится в газообразном состоянии;

- не изменяет концентрации ионов в растворе, так как осадок, содержащий серу и образующий сульфид ртути (11), и подаваемый водород восполняются веществами, выделившимися в результате окисления элементарной ртути, и поэтому кислотность действительно остается постоянной;

- не изменяет концентрацию комплекса ртути (1), как можно видеть из реакции (3).

Вследствие этого нет необходимости извлекать жидкость из промывной колонны для ее регенерации, как требуется в литературе [2]. Необходимо только устранять твердые вещества, содержание осажденную ртуть, и компенсировать механические потери реактивов. Сероводород H₂S (газ) является единственным продуктом, расходуемым в реакции, причем в очень малых количествах: 0,17 кг H₂S на каждый 1 кг очищенной ртути.

Размещено на Allbest.ru

...