Современные методы мониторинга окружающей среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

РОССИЙСКАЯ ОТКРЫТАЯ АКАДЕМИЯ ТРАНСПОРТА

Московский Государственный Университет Путей Сообщения

Контрольная работа

Современные методы мониторинга окружающей среды

Студентка:

Факультет: Транспортные сооружения и здания

Специальность:140104 (Промышленная теплоэнергетика)

Вариант: 7 (задания:17, 27, 37 ,47 ,57 ,67)

Кафедра: Физика и химия

Москва 2010 г.

Задача №17

При лазерном мониторинге содержания СО в атмосфере используется аргоновый лазер с длиной волны 514,5 нм. Определить длины волн стоксовых и антистоксовых компонент рассеянного излучения, если частота колебаний молекулы СО равна 64,4Ч1012 Гц.

Дано:

0 = 514, 5нм = 514,5Ч10-9 м;

Щ =64,4 Ч1012 Гц.

Найти vs и vа.

Решение. Частота излучения лазера v0 = с /0, где с скорость света;

с =3Ч108м/с.

Частота стоксовой компоненты комбинационного рассеяния равна:

vs = v0 Щ = с/ 0 Щ.

Частота антистоксовой компоненты комбинационного рассеяния равна:

va = v0 + Щ = с/ 0 + Щ.

Длина волны стоксовой компоненты:

s=

Длина волны антистоксовой компоненты:

а=

Проведем расчеты.

Частоты рассеянного излучения:

стоксовая компонента

vs = (3Ч108/514,5Ч10 -9) 64,4Ч1012 = 5,19Ч1014 Гц;

антистоксовая компонента

va = (3Ч108/514,5Ч10 -9) + 64,4Ч1012 = 6,47Ч1014 Гц.

Длины волн рассеянного излучения:

стоксовая компонента

s=5,78Ч10-7=578нм

антистоксовая компонента

а=4,64Ч10-7=464нм

Ответ: vs = 5,19Ч1014 Гц; vа = 6,47Ч1014Гц; s = 578 нм; а= 464 нм.

Задача № 27

На каких частотах должна вестись связь с космическими аппаратами мониторинга окружающей среды в ночное и дневное время, если максимальная концентрация электронов в атмосфере составляет 107 см-3?

Дано:

Ne=10 7см -3= 1013 м -3 концентрация заряженных частиц

0 =8,85Ч10-12Ф/м электрическая постоянная

е = 1,6Ч10-19 Кл заряд электрона

т = 9,1Ч10-31 кг масса электрона

с= 3Ч108 м/с скорость электромагнитных волн в вакууме

Найти v

Решение.

=

Ответ: v = 2,839Ч107 Гц

Задача №37

Сколько слоев половинного ослабления требуется, чтобы уменьшить интенсивность узкого пучка лучей в 100 раз?

Решение. Слоем половинного ослабления называется слой, толщина которого х1/2 такова, что интенсивность проходящего через него -лучей уменьшается в два раза. Следовательно, чтобы уменьшить интенсивность узкого пучка лучей в 100 раз требуется 50 слоёв половинного ослабления.

Ответ: 50 слоёв

Задача №47

На расстоянии r1 = 24 м от источника шума малых линейных размеров уровень интенсивности звука L = 32 дБ. Найти уровень интенсивности этого звука на расстоянии r2 = 16 м.

Дано

r1 = 24

r2 = 16 м

LI = 32 дБ

Найти L2 ?

Решение. Уровень интенсивности звука в децибелах (дБ):

L I =10lg I=I0Ч10 0,1LI

I интенсивность волны

L I - уровень интенсивности звука

Условно принимается, что I0=10-12Вт/м2

Интенсивность звука на расстоянии r от точечного источника звука, т.е. величина, численно равная энергии, переносимой за единицу времени через единицу площади, определяется соотношением:

где N мощность точечного источника звука;

r расстояние от источника звука до точки звукового поля, в которой определяется интенсивность.

I1=I0Ч10 0,1LI =

L2 =10lg

Задача №57. Углерод и его соединения (СО, СО2)

Химическое загрязнение окружающей среды и методы химического контроля химического загрязнения биосферы

Предприятия химической, целлюлозно-бумажной, оборонной, нефтеперерабатывающей промышленности, а также промышленности минеральных удобрений располагают крупными запасами вредных веществ. Значительные их запасы сосредотачиваются на объектах аграрного и хозяйственного секторов страны. При транспортных операциях с опасными грузами также проявляются многие виды опасностей: загрязнение окружающей среды, химическая активность, токсичность, коррозионностъ, радиоактивность, пожаро- и взрывоопасностъ. Для недопущения аварийных ситуаций необходимо учитывать химические свойства опасных веществ. Их знание и применение соответствующих методов дезактивации, нейтрализации позволит свести к минимуму последствия ликвидации аварийных ситуаций.

Загрязняющими биосферу веществами могут быть соединения практически всех элементов периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Многие элементы имеют сходные свойства, и поэтому их удобнее рассматривать по группам, в которых элементы объединены по химическим или токсикологическим признакам.

Решение. Углерод (химический символ C) химический элемент 4-ой группы главной подгруппы 2-го периода периодической системы Менделеева, порядковый номер 6, атомная масса природной смеси изотопов 12,0107 г/моль. Содержание углерода в земной коре 0,1 % по массе. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов (известняки и доломиты), горючих ископаемых антрацит (9497 %), бурые угли (6480 %), каменные угли (7695 %), горючие сланцы (5678 %), нефть (8287 %), горючих природных газов (до 99 % метана), торф (5356 % ), а также битумы и др.

В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода СО2, в воздухе 0,046 % СО2 по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (~18 %).В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина).

Токсичность. Оксид углерода представляет опасность для человека, прежде всего потому, что он может связываться с гемоглобином крови, а также тем, что он участвует в образовании смога. Кроме того, СО может образовывать высокотоксичные соединения -- карбонилы.

При взаимодействии с гемоглобином (Нb) крови оксид углерода, как и кислород, занимает координационное положение в геме (гем ? это комплексное соединение железа, в котором ион железа (II) соединен с протопорфириновой группой; гем входит в состав гемоглобина, его функция заключается в переносе кислорода). Сродство гемоглобина к СО в 200 ? 300 раз выше, чем сродство к O2 (большой разброс значений данных объясняется, очевидно, существованием различных форм гемоглобина). Реакция гемоглобина (НЬ) с О2, как и реакция с СО, подчиняется закону действующих масс, поэтому, учитывая, что его сродство к СО в 300 раз больше, чем к О2, можно написать:

Подставляя в уравнение одинаковые количества [Hb]Ч[О2] и[Hb]Ч [СО], получаем:,

ИЛИ

Поскольку объемная концентрация О2 в воздухе составляет около 20%, находим концентрацию СО:

необходимую для того, чтобы связать столько же гемоглобина, сколько связывает и атмосферный кислород. Иначе говоря, концентрация 0,066% (об.) в атмосфере достаточна для того, чтобы связать половину гемоглобина. В этом случае уже могут наблюдаться серьезные нарушения здоровья (см.табл.).

Скорость связывания с угарным газом СО зависит и от концентрации СО, интенсивности обмена веществ в организме человека, в том числе от частоты дыхания. В то время как насыщение гемоглобина оксидом углерода при объеме поступающего в легкие воздуха 10 л/мин с содержанием 0,1% (об.) СО достигается через 6 ч, при тяжелой работе и интенсивности дыхания 30 л/мин оно достигается уже менее чем через 2 ч

На горожанина-курильщика, особенно в закрытых помещениях, приходится двойная нагрузка: с одной стороны, действие СО, образующегося в результате выброса промышленными предприятиями и транспортом, с другой ? СО, содержащегося в табачном дыме. В то время как у курильщиков ? у промышленных рабочих в крови обнаружено в среднем 5% HbЧСО, у некурящих рабочих содержание не превышало HbЧСО 1,5%. Для уменьшения большой загазованности городов в I960--70-х гг. начали оборудовать в них зеленые пешеходные зоны.

Химическая активность. При обычных температурах углерод химически инертен. При достаточно высоких температурах соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300500 °C, 600700 °C и 8501000 °C.

Действие на окружающую среду. Продукты горения углерода оксид углерода CO и диоксид углерода СО2.

Оксид углерода (СО), образуется при неполном сгорании углеродсодержащих веществ. В незагрязненной атмосфере содержится около 60 млн. т оксида углерода. Небольшие количества оксида углерода природного происхождения образуются в результате вулканической деятельности окисления метана в атмосфере. Эта реакционная цепь пока не полностью не установлена, но, по-видимому, окисление осуществляется с помощью ОН* радикалов. Исходным веществом для образования этих радикалов служит тропосферный озон, который под действием ультрафиолетового излучения с длиной менее 310 нм выделяет возбужденный кислород 0(1D). Этот возбужденный кислород в тропосфере с водяными парами образует радикалы ОН*. Радикалы ОН* окисляют метан в многостадийном процессе, где заключительной стадией является образование СО, который, видимо с помощью других радикалов ОН*, может превращаться в СО2. К естественным источникам образования СО добавляются антропогенные выбросы. Это связано в первую очередь с автотранспортом, так как у двигателей внутреннего сгорания оптимальные условия окисления топлива создаются только при выходе на определенный рабочий режим. Как правило, это соответствует 3/4 общей мощности двигателя; напротив, максимальные выбросы СО происходят на холостом ходу. Например, в 1988 г. для машины с объемом цилиндра 1400--1999 см3 при работе двигателя на холостом ходу выхлопные газы содержали 1,0--1,5 (об.) СО. Но, даже при условии, что в других промышленных странах с (высоким уровнем использования автотранспорта каждая автомашина выбрасывает в атмосферу в среднем такие же количества СО, в глобальном масштабе это составляет лишь небольшую величину. Еще меньше СО попадает в атмосферу за счет курильщиков (хотя и эти малые количества представляют опасность в местах большого скопления людей, где эффект разбавления проявляется в недостаточной степени). В больших городах, и области большого давления и температурной инверсии содержание СО может достигать 100 млн-1 и выше. Внутри помещений, где СО появляется в результате неполного сгорания топлива в печах и курения, его концентрация сможет доходить до 50 млн-1, что сопоставимо, с нормой МЭК (максимальная эмиссионная концентрация) о эмиссионной концентрации, составляющей 50см3/м3или 50млн-1.

Диоксид углерода (СО2). В отличие от оксида углерода диоксид углерода образуется при полном окислении углеродсодержащего топлива. Атмосферный СО2 находится в состоянии постоянного обмена с почвой, водами и живыми организмами, в результате чего создается постоянный кругооборот его в природе. Источниками СО2 служат вулканические извержения, выветривание содержащих углерод горных пород, микробиологический распад органических соединений над почвой и в почве, дыхание животных и растений, лесные пожары и сжигание природного топлива. Увеличение количества сжигаемого природного топлива с развитием индустриализации, особенно в течение последних 100 ? 200 лет, привело к заметному повышению содержания СО2 в атмосфере. При сравнении состава современного воздуха с пробами 200-летней давности, взятыми в полостях арктических и антарктических льдов, было установлено, что, если в 1750 г. содержание СО2 составляло 280 млн., то за это время оно повысилось до 330?340 млн-1. За период с 1860 г. по 1978 г. ежегодный прирост выделяемого углерода составлял около 1млрд. т. Наряду с сжиганием природного топлива человек находит другой повод для вмешательства в природные «кладовые» углерода. В результате интенсивной обработки земли и создания новых пашен идет быстрое разрушение слоя гумуса в почве, и ускоренный переход углерода в атмосферу. К этому добавляется вырубка лесов, особенно ликвидация тропической растительности, которой издавна накопились огромные запасы углерода. Эти вырубки в значительной мере способствуют нарушению равновесия между связыванием и выбросом углерода. Пока еще не удалось количественно установить вклад в увеличение концентрации в атмосфере в результате вырубки лесов и ускоренного разрушения гумуса. Попавший в атмосферу СО2 остается в ней в среднем 2 ? 3 года. За это время СО2 повсеместно распространяется по всей земной поверхности, входя в состав атмосферы. Влияние СО2 выражаётся не только в токсическом действии на живые органе и в способности поглощать инфракрасные лучи. При нагревании земной поверхности солнечными лучами часть тепла в виде инфракрасного излучения отдается обратно в мировое пространство. Это возвращаемое тепло частично перехватывается газами, поглощающими инфракрасное излучение, которые в результате нагреваются. Если это явление происходит в тропосфере, то с ростом температуры могут происходить климатические изменения («парниковый эффект»). Одна из основных проблем нашего времени состоит в том, чтобы определить масштабы и временные рамки климатических изменений в результате накопления тепла за счет СО2.

Задача 67. Цинк Zn

Воздействие загрязняющих веществ (ионов металлов) на человека и животных (распределение в организме и токсичность)

Геохимия окружающей среды связана с распределением химических элементов в атмосфере, гидросфере и литосфере Земли. Особый интерес представляет мониторинг металлов, содержание которых во всех средах увеличивается в результате добычи минералов и полезных ископаемых из литосферы, а также благодаря технологическим процессам. Подобное изменение подвергает локальную биосферу риску дестабилизации, а также опасно для здоровья людей, поэтому эти металлы классифицируют как потенциально опасные.

Обнаруживается двойственная роль ионов металлов, которую они играют в физиологии: некоторые из них необходимы для нормального течения жизни, в то время как большинство из них токсичны при повышенных концентрациях и, следовательно, вредно влияют на активность живых организмов.

Металлы легко реагируют с биологическими молекулами, особенно с белковыми макромолекулами. Это обусловлено тем, что ионы металлов высоко реакционоспособны, а в белковых макромолекулах имеются многочисленные функциональные группы.

Металлы обнаруживают широкое токсичное действие. Некоторые из них оказывают явно выраженное действие на многочисленные органы-мишени примерно в одинаковых дозах; в других случаях наиболее чувствительный орган бывает трудно идентифицировать.

Проанализировать абсорбцию, распределение и токсичность иона металла (на примере цинка) в организме человека и животных.

Цинк элемент побочной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 30. Обозначается символом Zn (лат. Zincum). Простое вещество цинк при нормальных условиях хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка).

Цинк относят к тяжёлым металлам. Эта характеристика обычно отождествляется с представлением о высокой токсичности. Одним из признаков, которые позволяют относить металлы к тяжелым, является их плотность. В современной цветной металлургии различают тяжелые цветные металлы плотностью 7,14 21,4 г/см3 в их число входит цинк (плотность 7,133 г/см3). Представляют интерес те металлы, которые наиболее широко и в значительных объемах используются в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относится и цинк. В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей. Аэрозоли цинка состоят преимущественно их субмикронных частиц диаметром 0,5-1 мкм. В водных средах металлы присутствуют в трех формах: взвешенные частицы, коллоидные частицы и растворенные соединения. Последние представлены свободными ионами и растворимыми комплексными соединениями с органическими (гуминовые и фульвокислоты) и неорганическими (галогениды, сульфаты, фосфаты, карбонаты) лигандами. Большое влияние на содержание этих элементов в воде оказывает гидролиз, во многом определяющий форму нахождения элемента в водных средах. Значительная часть тяжелых металлов переносится поверхностными водами во взвешенном состоянии. Сорбция тяжелых металлов донными отложениями зависит от особенностей состава последних и содержания органических веществ. В конечном итоге тяжелые металлы в водных экосистемах концентрируются в донных отложениях и биоте. В почвах тяжелые металлы содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы, как правило, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическим комплексными соединениями. Кроме того, ионы тяжелых металлов могут быть связаны с минералами как часть кристаллической решетки. Техногенное поступление тяжелых металлов в окружающую среду происходит в виде газов и аэрозолей (возгона металлов и пылевидных частиц) и в составе сточных вод. Металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся: период полуудаления цинка до 500 лет.

Аэрозольные загрязнения, поступающие в атмосферу, удаляются из нее путем естественных процессов самоочищения. Важную роль при этом играют атмосферные осадки. В итоге выбросы промышленных предприятий в атмосферу, сбросы сточных вод создают предпосылки для поступления тяжелых металлов в почву, подземные воды и открытые водоемы, в растения, донные отложения и животных. Атмосферный путь поступления химических элементов в окружающую среду городов является ведущим.

Максимальной способностью концентрировать тяжелые металлы обладают взвешенные вещества и донные отложения, затем планктон, бентос и рыбы.

Абсорбция, распределение и экскреция цинка в организме. Биологическая роль цинка двояка и не до конца выяснена. Установлено, что цинк - обязательная составная часть фермента крови карбоангидразы. Этот фермент содержится в эритроцитах. Карбоангидраза ускоряет выделение углекислого газа в легких. Кроме того, она помогает превратить часть CO2 в ион НCO3, играющий важную роль в обмене веществ. Длительное потребление добавок цинка (более 150 мг/сут) приводит к появлению эрозий в желудке и снижает функцию иммунной системы. Порог токсичности для цинка составляет 600 мг/день.

Тяжелые металлы включаются через цепь питания в круговорот, концентрируются в микроорганизмах, растениях, животных и таким образом поражают людей. В основном (около 90 %) цинк выводится из организма с калом и 210 % с мочой.

Цинк также необходим морскому планктону для его роста, однако из-за загрязнения морей металлом концентрация цинка в воде заметно возросла. В норме в литре морской воды должно содержаться меньше 5 мкг Zn. Между тем в некоторых прибрежных водах у Британских островов было найдено значительно более высокое содержание цинка вплоть до 46 мкг/л.

В такой концентрации цинк подавляет фотосинтез всех планктонных растительных организмов. Так как планктон служит начальным звеном пищевой цепи и главным пищевым ресурсом для многих видов рыб, то подавление фотосинтеза (синтеза крахмала и сахара в зеленых растениях с помощью солнечной энергии) может иметь далеко идущие последствия.

Но не следует упускать из виду и то, что пока еще трудно оценить, в какой мере цинк в первую очередь благодаря своему каталитическому действию, повышающему токсический эффект других тяжелых металлов, может влиять на окружающую среду в целом.

Токсичность цинка. Цинк и его соединения могут поступать в организм через пищевой канал, а также через органы дыхания в виде пыли, образующейся при добыче и переработке цинковых руд. Цинк может поступать в организм с вдыхаемым воздухом в виде паров, выделяющихся при выплавке цинка и получении сплавов. После поступления цинка в организм в виде пыли и паров образуются его соединения с белками, вызывающие приступы лихорадки, начинающейся с озноба (так называемая лихорадка литейщиков, или латунная лихорадка). При вдыхании пыли и паров цинка может появиться тошнота, рвота и мышечные боли. Описаны случаи отравлений пищей, приготовленной и сохраняемой в оцинкованной посуде, из продуктов, содержащих кислоты (богатые кислотами фрукты, томат и др.). Соединения цинка, поступившие в желудок, могут вызывать острое отравление, при котором наступает желудочно-кишечные расстройства, лихорадка. При отравлениях соединениями цинка они накапливаются в печени и поджелудочной железе.

Избыток этого металла в организмах животных считается одной из причин опухолевых изменений.

Список используемой литературы

соединение углерод цинк загрязнение

1. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды (Введение в экологическую химию). - М.: Мир, 1997

2. В.П. Живописцев, Е.А. Селезнёва. Аналитическая химия цинка. - М.: Наука, 1975

3. В. Эйхлер. Яды в нашей пище (пер. с нем). - М.: Мир, 1985

Размещено на Allbest.ru