Физико-химические процессы в техносфере

Оглавление:

 

1. Перечислить особенности химических процессов в атмосфере………...3
2. Биохимическая очистка сточных вод. Основные показатели…………...6
3. Характеристика ртути, кадмия и свинца………………………………...10

 

Вопрос 1

1. Перечислить особенности химических процессов в атмосфере.

Атмосфера - газообразная (газовая) оболочка планет. Атмосфера Земли состоит из смеси газов, водяных паров и мелких частиц твердых веществ. Основа атмосферы - воздух, представляющий собой смесь газов, в первую очередь азота, кислорода, аргона и углекислого газа.

Атмосфера Земли  уникальна по содержанию в ней  различных газов, в том числе  инертных. Главными составляющими частями  верхних слоев атмосферы являются H₂ и He, а также их ионы. Атмосфера Земли имеет массу ~ 5,15٠10¹⁵т. Содержание основных компонентов воздуха и малых добавок в нем приведено далее.

Компоненты	Содержание, %
	Массовая доля	Объемная доля
Азот	75,52	78,09
Кислород	23,15	20,94
Аргон	1,28	0,93
Диоксид углерода	0,046	0,033
Неон	1,2•10-3	1,8•10-3
Гелий	7,2•10-5	5,2•10-4
Криптон	3,3•10-4	10-4
Ксенон	3,9•10-5	8•10-6
Оксид азота	2,5•10-3	2,5•10-4
Водород	3,5•10-6	5•10-5
Метан	0,8•10-4	1,5•10-4
Диоксид азота	8•10-5	1,5•10-4
Озон	10-5 – 10-6	2•10-6
Диоксид серы	-	2•10-8
Оксид углерода	-	10-5
Аммиак	-	10-6

 

Большинство химических реакций инициируются не термически, а фотохимически, т.е. при воздействии квантов света, полученных в результате излучения Солнца.

Атмосфера Земли - окислительная за счет содержащегося в воздухе кислорода, и в ней преобладают окислительно-восстановительные реакции с участием частиц в основном с ковалентным типом химической связи.

Для атмосферных  процессов характерны цепные реакции, т.е. реакции, протекающие в несколько  стадий с участием промежуточных продуктов - реакционно-способных радикалов (CH₃, O, HO, HO₂, H и др.).

В химических и  фотохимических превращениях образуются разнообразные неорганические и  органические соединения, в ряде случаев  токсичные.

Продукты реакций  могут переноситься на дальние расстояния и длительное время сохраняться  в атмосфере (например, в виде аэрозолей).

Область атмосферы, в которой происходят химические реакции, часто называется хемосферой. К ней относится тропосфера и нижняя часть стратосферы.

Зависимость содержания O₃, O₂, O и N₂ в атмосфере от высоты:

 

 

 

Примеры фотохимических и химических процессов в атмосфере

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос 2

2. Биохимическая очистка сточных вод. Основные показатели.

 

Биохимическая очистка сточных вод

Биохимическая очистка сточных вод - (биологическая очистка) - основной способ очистки сточных вод, содержащих загрязнения органического происхождения, заключающийся в минерализации этих загрязнений вследствие жизнедеятельности микроорганизмов. В процессе дыхания микробов органические вещества окисляются, и освобождается энергия, необходимая для жизненных функций.

Часть энергии  идет на процесс синтеза клеточного вещества, т. е. на увеличение массы  бактерий, количества активного ила  и биологической пленки в очистных сооружениях.

В минерализации  органических соединений сточных вод  участвуют бактерии, которые по своему отношению к кислороду разбиваются на 2 группы: аэробные (использующие при дыхании растворенный в воде кислород) в анаэробные (развивающиеся в отсутствии свободного кислорода).

Необходимыми  условиями для жизнедеятельности  организмов, способствующих очистке, и эффективного использования аэробных очистных сооружений являются:

• наличие в сточных водах органических веществ, способных окисляться биохимически;
• непрерывное снабжение сооружений кислородом в достаточном количестве;
• активная реакция очищаемой воды (в пределах 7—8,5 рН);
• температура воды не ниже 10° и не выше 30°;
• наличие биогенных элементов - азота, фосфора, калия в необходимых количествах;
• содержание минеральных солей и воде не выше 10 г/л;
• отсутствие токсических веществ в концентрациях, ядовито-действующих на микроорганизмы.

Биохимическая очистка сточных вод протекает  в две одновременно начинающиеся фазы:

• сорбция поверхностью тел бактерий растворенных органических веществ и коллоидов;
• окисление и минерализация растворенных и адсорбированных органических веществ микробами.

Для биохимической очистки бытовых и промышленных сточных вод применяются следующие очистные сооружения:

• аэробные - биологические пруды;
• поля орошения;
• поля фильтрации;
• биофильтры;
• аэрофильтры и аэротенки;
• анаэробные – септики;
• двухъярусные отстойники;
• метантенки.

Выбор типа сооружений определяется характером и количеством  сточных вод, местными условиями, требованиями к качеству очищенной воды, наличием свободных земельных площадей и  т. д.

Перед биохимической очисткой из сточных вод необходимо удалить взвешенные вещества, смолы и масла. В результате очистки содержание органических веществ в сточных водах снижается на 90—95%; они теряют способность к загниванию, становятся прозрачными, количество бактерий в них сильно снижается.

Биохимическая очистка фекально-хозяйственных  сточных вод достаточно хорошо изучена, разработаны методы расчета очистных сооружений. При очистке производственных сточных вод, ввиду их большого разнообразия, расчетные параметры очистных сооружений устанавливаются на основании результатов лабораторных опытов.

Основные  показатели биохимической очистки  сточных вод

Контактируя с  органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит и сульфат ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением.

Биохимические показатели. Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризующуюся величиной БПК и ХПК. БПК – это биохимическая потребность в кислороде, т.е. количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процесса нитрификации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8, 10, 20 суток), в мг О2 на 1 мг вещества. Например БПК5 – биохимическая потребность в кислороде за 5 сут, БПКполн – полная БПК до начала процесса нитрификации. ХПК – химическая потребность в кислороде, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде. ХПК также выражают в мг О2 на 1 мг вещества.

Биохимической активностью  микроорганизмов называют биохимическую  деятельность, связанную с разрушением  органических загрязнений сточных вод. Возможность биохимического окисления (биоразлагаемость сточных вод) характеризуется через биохимический показатель, т.е. отношением БПКполн/ХПК. Его значение колеблется в широких пределах для различных групп сточных вод: промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (0,05…0,3), бытовые сточные воды – свыше 0,5.

При отношении (БПК/ХПК).100% = 50% вещества поддаются биохимическому окислению. При этом необходимо, чтобы сточные воды не содержали ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Биохимический показатель необходим для расчета и эксплуатации промышленных сооружений для очистки сточных вод.

Для возможности  подачи сточных вод на биохимическую очистку устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления и на работу очистных сооружений. Для неорганических веществ, которые практически не поддаются биохимическому окислению, также устанавливают максимальные концентрации, при превышении которых воду нельзя подвергать биохимической очистке.

 

Вопрос 3

3. Характеристика ртути, кадмия и свинца.

Общая характеристика ртути

Ртуть - металл, представляющий собой жидкость с серебристым блеском. Со многими металлами ртуть легко образует жидкие или твердые сплавы - амальгамы. Амальгамы серебра, меди и кадмия химически инертны и приобретают твердость при температуре человеческого тела, что позволяет использовать их в стоматологии как пломбировочные материалы. Железо и сталь не амальгамируются, поэтому ртуть хранят и транспортируют в стальных баллонах.

Температура плавления ртути 38,9 °С; температура кипения 356,6 °С. Ртуть легко растворяется в горячих концентрированных серной и азотной кислотах и почти не растворяется в воде, Обладает способностью растворять ряд металлов (золото, серебро, свинец, цинк). Пары ртути в 7 раз тяжелее воздуха, быстро распространяются по помещению, проникают во все трещины и щели.

Ртуть широко применяется  в различных отраслях экономики. В частности, при изготовлении термометров, манометров, барометров-анероидов, ламп дневного света, кварцевых ламп, полярографов, рентгеновских трубок, радиоламп; как катализатор в химической промышленности и лабораторных синтезах органических веществ (при получении уксусной кислоты, в производстве промедола и стрептомицина и др.); в качестве катода при электрохимическом получении едкого натра и хлора; при изготовлении красок; для отделения золота от неметаллических примесей; в качестве гербицидов, пестицидов и фунгицидов в сельском хозяйстве и при антисептировании древесины. В медицине ртуть в виде соединений используется в качестве лекарственного средства, а также как пломбировочный материал в стоматологии.

Ртуть, ее органические и  большинство неорганических соединений являются промышленными ядами 1-го класса опасности с резко выраженными  токсическими свойствами. Источниками загрязнения воздуха могут служить сырье или продукты технологической переработки ртути, а также предметы вторичного загрязнения воздуха - производственное оборудование, рабочая и лабораторная мебель, пластмасса, краски, спецодежда. Серьезную опасность для людей представляет ртуть, скапливающаяся (депонирующаяся) под полом, в щелях и т. п., поскольку это нивелирует эффект, достигнутый в ходе проведения демеркуризационных мероприятий.

Содержание паров ртути  в воздухе возрастает с увеличением  поверхности испарения. Эта поверхность особенно велика, когда ртуть разбивается на большое количество мелких капель (капля ртути диаметром 1 см при разбивании распадается на капли диаметром 1 мм, увеличивая при этом поверхность испарения в 9–10 раз).

Пары ртути не обладают цветом, запахом и вкусом, не оказывают раздражающего действия на органы и ткани человека.

 

Кадмий - (лат. Cadmium), Cd (читается «кадмий»), химический элемент с атомным номером 48, атомная масса 112,41. Природный кадмий состоит из восьми стабильных изотопов: 106Cd (1,22%), 108Cd (0,88%), 110Cd (12,39%), 111Cd (12,75%), 112Cd (24,07%), 113Cd (12,26%), 114Cd (28,85%) и 116Cd (12,75%). Расположен в 5 периоде в группе IIВ периодической системы элементов. Конфигурация двух внешних электронных слоев 4s2p6d105s2. Степень окисления +2 (валентность II).  Радиус атома 0,154 нм, радиус иона Cd 2+0,099 нм. Энергии последовательной ионизации — 8,99, 16,90, 37,48 эВ. Электроотрицательность по Полингу 1,69.