Эколого-геохимическое картирование урбанизированной территории на примере ванадия

Разработан ряд  методов получения металлического ванадия: кальциетермический, при котором  ковкий ванадий получают методом восстановления оксидов ванадия кальцием; алюминотермический, когда основным восстановителем металла является алюминий; метод вакуумного углетермического восстановления оксидов ванадия (использование углерода наиболее перспективно); хлоридный, при котором хлорид ванадия (VCl3) восстанавливается жидким магнием. 

Существует также  йодидный метод, заключающийся в  диссоциации йодида (VI2) и обеспечивающий получение ванадия наиболее высокой  чистоты, однако этот метод пока может  быть использован лишь для получения небольших количеств высокочистого металла. 

Каждый из рассмотренных  методов имеет свои преимущества и недостатки, поэтому выбор того или иного метода определяется задачами в отношении качества конечного  продукта, а также экономическими соображениями и возможностями осуществления самого процесса. 

Получение: в  промышленности при получении ванадия  из железных руд с его примесью сначала готовят концентрат, в  котором содержание ванадия достигает 8-16%. Далее окислительной обработкой ванадий переводят в высшую степень окисления +5 и отделяют легко растворимый в воде ванадат натрия (Na) NaVO3. При подкислении раствора серной кислотой выпадает осадок, который после высушивания содержит более 90% ванадия.  

 Первичный  концентрат восстанавливают в доменных печах и получают концентрат ванадия, который далее используют при выплавке сплава ванадия и железа — так называемого феррованадия (содержит от 35 до 70% ванадия). Металлический ванадий можно приготовить восстановлением хлорида ванадия водородом (H), кальцийтермическим восстановлением оксидов ванадия (V2O5 или V2O3), термической диссоциацией VI2 и другими методами.  

Применение: ванадий  в основном используется как легирующая добавка при получении износоустойчивых, жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов (прежде всего, специальных сталей), как компонент при получении магнитов. Оксид ванадия V2O5 служит эффективным катализатором, например, при окислении сернистого газа SO2 в серный газ SO3 при производстве серной кислоты. Соединения ванадия находят разнообразное применение в различных отраслях промышленности (текстильной, стекольной, лакокрасочной и др.).  

Биологическая роль: ванадий постоянно присутствует в тканях всех организмов в ничтожных  количествах. В растениях его  содержание (0,1-0,2%) значительно выше, чем в животных (1·10–5-1·10–4%). Некоторые морские организмы — мшанки, моллюски и, особенно, асцидии — способны концентрировать ванадий в значительных количествах (у асцидий ванадий находится в плазме крови или специальных клетках — ванадоцитах). По-видимому, ванадий участвует в некоторых окислительных процессах в тканях. Мышечная ткань человека содержит 2·10–6% ванадия, костная ткань — 0,35·10–6%, в крови — менее 2·10–4% мг/л. Всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) 0,11 мг ванадия. Ванадий и его соединения токсичны. Токсическая доза для человека 0,25 мг, летальная доза — 2-4 мг. Для V2O5 ПДК в воздухе 0,1-0,5 мг/м3. 

 Поведение ванадия в почвах изучено недостаточно. Норриш сообщил, что значительное количество ванадия в почвах связано с оксидами железа, причем в этой форме он наиболее подвижен и поэтому доступен для растений. Берроу и др. отметили, что в определенных горизонтах подзолистых почв формы ванадия, связанные с глинистыми минералами и органическими кислотами, играют более важную роль, нежели формы, адсорбированные оксидами железа. По данным ряда авторов, большая часть почвенного ванадия, главным образом ванадил-катион, может образовывать комплексы с гуминовыми кислотами. Известно, что анионные формы ванадия отличаются мобильностью в почвах и относительно более высокой токсичностью для микробиоты почв.

В настоящее  время не ясно, является ли ванадий  жизненно необходимым элементом  для высших растений. В то же время  его незаменимость для зеленых  водорослей несомненна, и он известен как стимулятор процесса фотосинтеза в этих организмах. Есть основания полагать, что ванадий является специфическим катализатором в процессах фиксации молекулярного азота, а в качестве переносчика N2 он может частично замещать в этой функции молибден. Добрицкая приводит данные о высоком содержании ванадия в клубеньках некоторых бобовых растений (3—12 мг/кг сухой массы), что позволяет предполагать связь этого элемента с биофиксацией молекулярного азота. Тем не менее случаев дефицита ванадия у высших растений отмечено не было, а Уэлч и Кэри считают, что если ванадий и необходим для растений, то в количестве не более 2 мкг/кг сухой массы.

 Растворимый  ванадий легко поглощается корневой  системой растений, а некоторые  их виды обладают способностью  активно концентрировать этот металл. Петрунина, обобщив материалы по этому вопросу, показала, что в некоторых бриофитах и низших грибах из районов рудной минерализации содержание V достигало 180 мг/кг сухой массы. Известны также другие виды растений, концентрирующие этот элемент в своих тканях. 
 
 

Основной источник поступления ванадия в организм - вдыхание частичек пыли, содержащих оксиды ванадия (например, на металлургическом производстве или вблизи объектов, на которых сжигаются содержащие ванадий нефтепродукты или уголь. Этот путь является и наиболее опасным с точки зрения негативного влияния на здоровье человека. Более "физиологичный" путь поступления ванадия в организм - с пищей (в сравнительно небольших количествах). К числу содержащих ванадий продуктов можно отнести (1 мкг% соответствует содержанию элемента в микрограммах на 100 грамм продукта): рис ( 400 мкг%), фасоль (190 мкг%), редис (185 мкг%), ячмень (172 мкг%), гречиха (170 мкг%), зеленый салат (170 мкг%), горох (150 мкг%), картофель (149 мкг%), а также ненасыщенные жиры и масла растительного происхождения, укроп, петрушку.

Наибольшему воздействию  при вдыхании содержащей ванадий  пыли подвержены легкие, бронхи, глаза. Рабочие, вдыхавшие такую пыль даже непродолжительное время жалуются на раздражение и хрипы в легких, кашель, боли в груди, насморк и першение в горле. Иногда наблюдается удушье, зеленоватый налет на языке и побледнение кожных покровов. Правда, эти признаки исчезают уже вскоре после прекращения вдыхания загрязненного воздуха. Аналогичные результаты были получены и на животных. По данным Агентства по учету токсических веществ и болезней США (US Agency for Toxic Substances and Disease Registry) других типов воздействия ванадия на организм человека не наблюдается. Данные об отрицательном влиянии ванадии при его поступлении с пищей или при кожном контакте отсутствуют. Тем не менее, опыты, проводившиеся на животных показали, что воздействие сверхвысоких доз ванадия приводит к смертельному исходу. У беременных животных, подвергавшихся воздействию несколько меньших доз наблюдались дефекты у новорожденных. У животных, долгое время вдыхавших или получавших с пищей значительные количества ванадия появлялись незначительные проблемы с печенью и почками. Следует отметить, что те дозы ванадия, которые использовались в опытах многократно превышают концентрации, имеющие место в природе.

 В организм  человека ванадий поступает с  пищей. Большое количество ванадия   содержится в растительном масле,  грибах, петрушке, печени, жирном мясе, морской рыбе, сое, укропе и хлебных злаках.

В организме  взрослого человека содержится около 100 мкг ванадия. Этот элемент входит в состав мышечной и костной ткани, может накапливаться в сердечной  мышце, селезенке, щитовидной железе, легких, почках.

Физиологическая роль ванадия недостаточно изучена. Полагают, что ванадий участвует в регуляции углеводного обмена и сердечно-сосудистой деятельности, а также в метаболизме тканей костей и зубов. Считается, что ванадию свойственны функции катализатора окислительно-восстановительных процессов. Ванадий является ингибитором и, возможно, регулятором Na+-K+-АТФ-азы, рибонуклеазы и других ферментов. Ванадий усиливает поглощение кислорода тканями печени, катализирует окисление фосфолипидов изолированными ферментами печени, и возможно, оказывает влияние на уровень сахара в крови. Ванадий оказывает действие на некоторые функции глаз, печени, почек, миокарда, нервной системы.

Токсическая доза для человека: 0,25 мг.

Летальная доза для человека: 2-4 мг. 
 

При алюминотермическом восстановлении ванадиевого ангидрида (пятиокиси ванадия) иногда наблюдается, вследствие частичного выгорания алюминия, образование низших окислов ванадия (главным образом, закиси ванадия VO), которые с окисью алюминия дают соответствующие алюминаты. Это дало повод ряду авторов заключить, что при описанном способе восстановления пятиокиси ванадия металл вообще не может быть получен. В действительности же при добавлении в реакционную смесь плавней всегда получается металл. 

Механические  свойства чистого ванадия изучены  далеко не полностью из-за сложности получения ванадия высокой чистоты. Однако известно, что примеси оказывают на свойства ванадия очень сильное влияние. 96%-ный ванадий, впервые полученный Г. Роско более 100 лет назад, хрупок и тверд. По мере дальнейшей очистки ванадий становится все более пластичным и ковким. Впервые ковкий ванадий был получен лишь в 1927 г. Особенно сильно ухудшают механические свойства ванадия примеси водорода, кислорода и азота.

Известный немецкий химик Юстус Либих, подобно Фридриху Вёлеру, «проглядел» открытие нового элемента – брома. Слава первооткрывателя в этом случае досталась малоизвестному до того французскому ученому Антуану Балару. Раздосадованный Либих не удержался от едкого замечания, что не Балар открыл бром, а бром открыл Балара. Вёлер же, «прозевавший» ванадий, был более объективным и никого, кроме себя, в этом не винил. «Я был настоящим ослом, – писал он своему другу – проглядев новый элемент в бурой свинцовой руде, и прав был Берцелиус, когда он не без иронии смеялся над тем, как неудачно и слабо, без упорства, стучался я в дом богини Ванадис». 
 
 

Пониженное  содержание ванадия в организме. 

Еще в прошлом  веке ванадии был впервые обнаружен  в составе некоторых растений, после чего присутствие элемента №23 в углях, торфе и сланцах  перестало казаться странным. Один из растительных «собирателей» ванадия хорошо знаком каждому – это ядовитый гриб бледная поганка. 

В крови некоторых  обитателей морей и океанов –  морских ежей и голотурий содержание ванадия достигает 10%. Предполагается, что ванадий играет здесь ту же роль, что железо в гемоглобине. Но это утверждение – гипотетическое. Другие ученые придерживаются мнения, что роль ванадия в этом случае сравнима с ролью магния в хлорофилле, иными словами, ванадий, содержащийся в крови голотурий, участвует прежде всего в процессах питания, а не дыхания. 

Продукты, в которых  больше всего ванадия, не относятся  к числу редких или недоступных: неочищенный рис, гречка, ячмень, овёс, фасоль и горох, картофель, перец, редис  и зелёный салат, петрушка, укроп, свекла, морковь, хлебные злаки, вишня и земляника; растительные масла, животные жиры, жирное мясо и печень, грибы, соя, некоторые морепродукты и рыба. В незначительных количествах ванадий поступает в организм с водой и некоторыми лекарствами. 

В воду ванадий попадает из полиметаллических и железных руд, а также из отходов производства: предприятий тяжёлой промышленности, переработки нефти и т.д. Ванадий долго остаётся в почве, однако в растениях его мало – он не может накапливаться в их тканях. 
 

Самым лучшим источником ванадия, безопасного для здоровья, многие диетологи считают мёд в сотах и маточное молочко пчёл.

Роль и значение ванадия 

На сегодня  учёные выяснили, что в микродозах ванадий нам жизненно необходим, однако его действие на организм пока изучено недостаточно. Для того, чтобы получать необходимое количество ванадия, человеку почти всегда хватает обычного питания. 

Наряду с другими  элементами, ванадий выполняет в  нашем организме множество функций  и принимает участие в различных  процессах, нормальное протекание которых важно для нашего здоровья и жизни.

Так, ванадий  повышает защитные силы организма, потому что активизирует деятельность клеток-фагоцитов, выполняющих работу «санитаров»  и защитников, уничтожающих всё чужеродное и лишнее. 

В результате работы фагоцитов очищается кровь, клетки и ткани, а организм лучше защищается от инфекций. Ванадий также обладает антиоксидантными свойствами, предупреждает атеросклероз, контролирует содержание глюкозы в крови и работу нервной системы, поддерживает структуру костной и зубной ткани в здоровом состоянии – в этих тканях в его присутствии правильно распределяются соли кальция. 

Ванадий снижает  количество холестерина в крови, нормализуя липидный обмен, поддерживает в хорошем состоянии сосуды мозга  и сердца, способствует снижению повышенного давления. 

Углеводный обмен  также поддерживается в норме  благодаря ванадию – поэтому  многие учёные считают, что в будущем  с его помощью можно будет  лечить сахарный диабет. Действие ванадия  в чём-то напоминает действие инсулина – уже сейчас его соединения применяют при диабете I и II типа. 

Ванадий участвует  в регулировании баланса натрия и калия, регулирует работу мышц, снимает  отёчность тканей; предупреждает  развитие опухолей, помогая клеткам  правильно делиться и развиваться – поэтому его можно считать противораковым средством. 

Уровень гемоглобина  в крови изменяется под действием  ванадия; с его помощью формируются  зубы; у детей правильно растут и формируются кости. Участвуя в  обмене жиров и углеводов, он помогает организму вырабатывать энергию. В сочетании с цирконием ванадий положительно влияет на работу печени, селезёнки и лёгких, поджелудочной и щитовидной железы, гипофиза и мочеполовой системы. 

Содержание ванадия  в организме человека – примерно 100 мкг. Он находится в костной и мышечной тканях, в малых количествах накапливается в почках, лёгких, щитовидной железе, селезёнке и сердечной мышце. Суточная потребность в ванадии может составлять до 2 мг, и с пищей его поступает достаточно. Из всего ванадия всасывается только 1%, а остальное количество выводится.