Страшно опасные: тяжелые металлы в воде

Тяжелые металлы

На сегодняшний день известно порядка 40 различных трактовок термина «тяжелые металлы», и совершенно невозможно выделить одну наиболее правильную. Так, каждое определение тяжелых металлов будет включать свой перечень элементов согласно с теми или иными критериями. Зачастую характеристика тяжелых металлов основывается на: атомной массе, плотности, токсичности, распространенности в природной среде, степени вовлеченности в природные и техногенные циклы. Например, основным критерием может являться минимальная относительная атомная масса, равная 50. Согласно данной особенности, под список «тяжелых металлов» попадут абсолютно все металлы, начиная с ванадия, вне зависимости от их плотности. Однако, в других определениях данного термина именно плотность является главной характеристикой, на основе которой и составляется перечень, и она должна быть более или равной 8 г/см 3 (плотность железа). Согласно данному критерию в список «тяжелых металлов» будут включены следующие элементы: свинец, ртуть, медь, кадмий, кобальт, а вот олово уже будет исключено из данного списка, так оно более легкое. Кроме того, также в основе классификации металлов могут находится и другие значения пороговой плотности (например, в 5 г/см 3 ) или атомной массы. Таким образом, к некоторым группа тяжелых металлов могут попадать элементы, которые являются хрупкими или металлоидами (например, висмут или мышьяк, соответственно). В связи с этим, термин «тяжелые металлы» рассматривается с медицинской и природоохранной точек зрения. Это позволяет при составлении списка тяжелых металлов основываться не только на физических и химический свойствах элемента, но и на его биологической активности, токсичности, а также объеме его применения в хозяйственной деятельности.

Однако, все же в большинстве случаев, в список тяжелых металлов входит 40 элементов, имеющие относительную плотность, превышающую 6. Не смотря на то, что термин «тяжелые металлы» и «токсичные металлы» принято считать синонимами, все же количество опасных металлов существенно меньше, что не может не радовать.

В первую очередь интерес представляют элементы, имеющие самое широкое и активное использование в производстве, в результате чего происходит их накопление в окружающей среде, что и представляет опасность здоровью человечества с точки зрения их биологической активности и токсичности. Среди таковых следует выделить свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.

Свойства тяжелых металлов

Тяжелые металлы в атмосфере представляют собой органические и неорганические соединения. Они могут присутствовать как пыль, аэрозоль, или же иметь газообразную элементную форму (например, ртуть). Стоит отметить, что свинец, кадмий, медь и цинк в виде аэрозоля включают в себя, главным образом, субмикронные частицы, диаметр которых составляет примерно 0,5 – 1 мкм. А вот частицы никеля и кобальта в виде аэрозоля представляют собой крупнодисперсные частицы, имеющие диаметр, превышающий 1 мкм. Их образование, в основном, происходит во время сгорания дизельного топлива.

В водной среде тяжелые металлы могут быть представлены в виде трех основных форм: взвешенных частиц, коллоидных частиц, а также растворенных соединений. Последние представляют собой свободные ионы и растворимые комплексные соединения с органическими (гуминовые и фульвокислоты) и неорганическими (галогены, сульфаты, фосфаты, карбонаты) лигандами. Форма нахождения элемента в воде определяется гидролизом, который очень сильно влияет на нахождение указанных элементов в водной среде. Огромное количество тяжелых металлов переносится посредством поверхностных вод во взвешенном состоянии.

Содержание тяжелых металлов в почвах представлено водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Первые, главным образом, представляют собой хлориды, нитраты, сульфаты, а также органические комплексные соединения. Следует сказать, что часто отмечается связь ионов тяжелых металлов с минералами почвы, как часть кристаллической решетки.

В таблице представлены биогеохимические свойства тяжелых металлов, оценка которых осуществлялась по трем главным критериям: высокая (В), умеренная (У), низкая (Н).

Стоит отметить, что к биогеохимическим свойствам тяжелых металлов относятся токсичность, канцерогенность, растворимость и многие другие, которые выражены у них по-разному. Однако, существует два основных свойства, на основе которых и определяется степень опасности того или иного тяжелого металла для живого организма в зависимости от концентрации. К данным свойствам относятся: биохимическая активность и органическая форма распространения.

Определение тяжелых металлов

На сегодняшний день есть две главные группы аналитических методов, которые позволяют определять тяжелые металлы (например, в воде или почве), а именно:

• электрохимические методы;
• спектрометрические методы.

Стоит отметить что вторая группа постепенно сдает свои позиции и уступает электрохимическим методам.

Среди спектрометрических методов следует выделить наиболее распространенный – атомно-абсорбционную спектрометрию с разной атомизацией образцов. В том случае, когда необходимо определить несколько элементов одновременно, главным методом определения выступают атомная эмиссионная спектрометрия с индукционно связанной плазмой, а также масс-спектрометрия с индукционно связанной плазмой.

Для того, чтобы определить тяжелые металлы электрохимическими способами пробу переводят в водный раствор. К электрохимическим методам относятся: полярографический (вольтамперометрический), потенциометрический, кулонометрический, кондуктометрический и многие другие. Стоит отметить, что бывают ситуации, когда невозможно определить тяжелые металлы с помощью лишь только одного метода, тогда используются сразу несколько методов с дальнейшим титрованием. Данные методы основываются на анализе вольт-амперных характеристик, потенциалов ион-селективных электродов, интегрального заряда, который служит для того, чтобы искомый метал выпал в осадок на электроде электрохимической ячейке, электропроводности раствора и т.д. Указанные способы позволяют определять тяжелые металлы до 10 -9 моль/л.

Группа спектральных анализов является включает в себя множество различных методов, с помощью которых осуществляется определение тяжелых металлов. Прежде всего, она включает в свой перечень атомный эмиссионный анализ, атомный абсорбционный анализ, спектрофотометрию, масс-спектрометрию, спектрометрию с индуктивно связанной плазмой, рентгеноспектральный анализ.

В отдельных случаях, когда концентрация тяжелых металлов находится в достаточно небольшой концентрации, то они определяются, зачастую, несколькими методами спектрометрии.

Иногда, для определения тяжелых металлов, следует прибегнуть к комплексным методам, которые сочетают в себе как спектральные, как и электрохимические способы. Одним из таких методов является спектрополяриметральный анализ.

Самый тяжелый металл

Определить и назвать один единственный самый тяжелый металл невозможно, так как критерии определения «тяжести» металла могут быть совершенно разными. Об этом шла речь в начале данной статьи. Таким образом, одним из самых тяжелых металлов является свинец, которому не уступают цинк, олово, железо, и медь, однако он не может носить титул самого тяжелого металла. Например, свинец существенно уступает жидкому металлу – ртути. Так, если поместить в ртуть кусочек свинца, то он не утонет, а будет уверенно держаться на ее поверхности. Бутылка с ртутью объемом в 1 литр будет весить 14 кг. Но, не смотря на это, и ртуть не является самым тяжелым металлом, так как золото и платина тяжелее ртути в полтора раза.

Опережают золото и платину редкие металлы – иридий и осмий, которые в два раза тяжелее железа. Итак, самые тяжелые металлы, согласно их удельному весу:

• цинк – 7,1;
• олово – 7,3;
• железо – 7,8;
• медь – 8,9;
• свинец – 11,3;
• ртуть – 13,6;
• золото – 19,3;
• платина – 21,5;
• иридий – 22,4;
• осмий – 22,5

Если же взять за основную характеристику тяжелых металлов плотность, то список будет отличаться, и в него войдут следующие элементы:

• тантал – 16,67 г/см 3 ;
• уран – 19,05 г/см 3 ;
• вольфрам – 19,29 г/см 3 ;
• золото – 19,29 г/см 3 ;
• плутоний – 19,80 г/см 3 ;
• нептуний – 20,47 г/см 3 ;
• рений – 21,01 г/см 3 ;
• платина – 21,40 г/см 3 ;
• осмий – 22,61 г/см 3 ;
• иридий – 22,65 г/см 3 ;

Однако, существует перечень металлов, которых общепринято считать тяжелыми. Основные тяжелые металлы:

Особенности тяжелых металлов заключаются в том, что все они обладают высокой токсичностью и в некоторых случаях несут угрозу здоровью и жизни живых организмов. Кроме этого, они обладают способностью к биоаккумуляции и биомагнификации.

Применение тяжелых металлов

В далекие времена появившиеся первые металлы в жизни человека существенно облегчили его существование на Земле. Ведь металл является более прочным материалом, чем камень или дерево. Из металла получались более продуктивные орудия труда, более разрушительное оружие, а также более надежная защита. Кроме этого, из металла люди также научились изготавливать украшения, посуду, различные ритуальные предметы, а также предметы повседневного обихода. На сегодняшний день человечеству известно порядка 70 металлов, часть из которых, согласно разным определениям и критериям отбора, являются тяжелыми. Благодаря своим уникальным свойствам и особенностям, тяжелые металлы нашли свое применение во многих сферах человеческой деятельности, в частности, в машиностроении, судостроении, авиастроении, медицине, производстве техники и электроники, строительстве, в производстве посуды, украшений, а также вещей повседневного обихода.

Например, свинец используется для покрытия различной аппаратуры с целью ее защиты от коррозии. Также его используют в качестве оболочки кабелей, которые прокладываются под землей, в воде или любой другой влажной среде. Для зажигания двигателей внутреннего сгорания все так же используются свинцовые аккумуляторы, не смотря на то, что уже в природе давно существуют никелевые аккумуляторы, однако, стоимость последних значительно выше.

Ртуть также нашла свое широкое применение в электротехнике, электронике, приборостроении, металлургии, химии (изготовление термометров, барометров, реле, лампы дневного света, кварцевые ртутные лампы) и т.д.

Медь благодаря своему низкому удельному сопротивлению и высокой теплопроводности, достаточно широко используется в электротехнике – она является основным материалом, из которого производят силовые и другие кабели, провода, другие проводники. Из меди изготавливают различные теплообменники – радиаторы охлаждения, кондиционирования, отопления, компьютерные кулеры, тепловые трубки и многое другое.

Данные элементы добываются из руды тяжелых металлов – изначально извлекается руда, после чего осуществляется ее обогащение и затем при помощи химического или электролитического восстановления уже получается сам металл.

Страшно опасные: тяжелые металлы в воде

То, что грязную и мутную воду пить не стоит, знают даже дети. Однако земля, пыль и даже бактерии в жидкости — это далеко не все опасные элементы, которые в ней встречаются.

В воде могут быть и куда более страшные враги человеческого здоровья — тяжелые металлы.

Что это такое?

Под термином «тяжелые металлы» принято понимать элементы, чья относительная атомная масса превышает 50 единиц, или чья плотность составляет более 8 г/см3. К ним относят около 40 единиц.

С учетом токсичности, стойкости, способности накапливаться во внешней среде и масштабов распространения, особого контроля требует только ¼. Сам термин получил широкое распространение больше не как химический, а как медицинский или природоохранный.

Все химические элементы в малых количествах нужны человеческому организму для нормального роста и функционирования. Но избыток некоторых металлов приводит к развитию патологий, болезням, нервным расстройствам.

Источником опасных веществ сегодня часто становится вода, не прошедшая надлежащую очистку, либо вода из родников, расположенных в местах загрязнения. Даже жидкость из водопровода в жилых домах иногда опасна для питья.

Что такое тяжелые металлы, расскажет видео:

Виды

Какие элементы относят к этой группе:

1. Свинец. Самый распространенный металл из группы «тяжелых». Содержится в окружающей среде повсеместно: в почве, горных породах, грунтовых водах, атмосфере и живых организмах.
2. Ртуть. Жидкий металл. Естественным образом попадает в глубокие грунтовые воды. Часто накапливается в рыбе и морских ракообразных.
3. Кадмий. В природе встречается редко и только в минералах цинка. Поступает в природные воды в результате смыва почв, выветривания полиметаллических и медных руд.
4. Цинк. В природе в чистом виде не встречается. Его добывают из полиметаллических руд с содержанием от 1 до 4% сульфида цинка.
5. Кобальт. Распространенный элемент. Месторождения находятся в Европе, Африке, США и Австралии.
6. Медь. Встречается в естественной среде в самородном виде и в составе соединений. Токсичны для человека некоторые из них.
7. Молибден. В природе в чистом виде не встречается. Залегает глубоко в земной коре. Незначительно присутствует в природной пресной и морской воде.
8. Марганец. 14-й по распространенности элемент на Земле. На морском дне глубиной более 3-х км образуются воды сильно насыщенные марганцем.

Некоторые химики относят сюда еще алюминий, бериллий, кремний и мышьяк. Железо относят в группу условно, поскольку оно в больших количествах ухудшает цвет и вкус воды, что уже выступает явной преградой для ее употребления.

Все вещества в воду попадают не в чистом виде, а в виде ионов и солей, которые порой еще более токсичны.

ПДК

Абсолютно чистой воды в природе не существует. В ней в любом случае будут какие-то минимальные остатки минералов, металлов и микроэлементов.

Разработаны предельно допустимые концентрации тяжелых металлов в воде бытового и хозяйственного назначения, при которых она считается пригодной для питья и использования.

Элемент	Предельный показатель вредности	ПКД мл/л
Cu Медь	Привкус, органолептический	1,0
Fe Железо	Цвет	0,3
Zn²⁺ Цинк	Общий	1,0
Cd Кадмий	—	0,001
Si Кремний	Санитарно-токсикологический	0,05
Hg Ртуть	Санитарно-токсикологический	0,0005
Mo Молибден	Санитарно-токсикологический	0,25
Pb Свинец	Санитарно-токсикологический	0,03
Mn Марганец	Органолептический	0,1
Со Кобальт	Санитарно-токсикологический	0,1
As Мышьяк	Санитарно-токсикологический	0,05
Ве2+ Бериллий	Санитарно-токсикологический	0,0002

Каков вред и опасность для человека?

В воде ионы тяжелых металлов обладают большей биологической активностью, а значит им легче внедриться в организм и влиять на него:

1. I класс опасности:
   • ртуть наиболее опасна и токсична, вызывает головные боли, нервные расстройства, тахикардию, бессонницу, хроническую усталость, подавляет нормальное функционирование нервной системы.
2. II класс опасности:
   • свинец — он не исчезает даже при кипячении, отравляет все органы и системы, накапливается в костях и печени;
   • кадмий — 2 класс опасности присущ не чистому металлу, а любым его соединениям, вызывает анемию, проблемы с сердцем, отек легких, развитие гипертонии;
   • кремний — избыток кремния взывает проблемы с суставами, органами дыхания, увеличивается риск образования камней в почках и желчном пузыре.
3. III класс опасности:
   • железо — нужно для поддержания гемоглобина и нормального кислородного обмена, но его переизбыток приводит к рвоте, тошноте, болям в кишечнике и желудке, повреждениям мозга и печени;
   • медь — в малых дозах обезвреживает отравляющие вещества, но в большом сама становится ядом, накапливается в мозге, провоцирует тремор, нарушения речи, психозы, болезнь Альцгеймера;
   • цинк — пагубно влияет на пищеварительную систему, провоцирует рвоту, диарею, боли в желудке, анорексию.

Ионы тяжелых металлов в совокупном воздействии провоцируют рак, подавляют выработку гормонов и даже повреждают структуру ДНК.

Источники

Их делят на естественные и искусственные (вызванные деятельностью человека). К естественным причисляют грунтовые воды, вымывание полиметаллической руды, извержения вулканов, кислотные дожди.

К искусственным или антропогенным относят:

• выбросы в атмосферу с фабрик и промышленных предприятий;
• автомобильные выхлопы;
• свалки;
• металлургическая промышленность;
• машиностроение;
• сточные воды;
• с/х деятельность.

Постепенное увеличение примесей тяжелых металлов в воде происходит при ее испарении. Аналогично при кипячении не все элементы удаляются, поэтому кипячение, как метод очистки воды, в данном случае не актуален.

Методы проверки и выявления содержания примесей

Современные лабораторные исследования водяных проб позволяют выяснить наличие тяжелых металлов в жидкости тремя способами:

1. Фотометрический анализ. Основан на избирательном поглощении электромагнитного излучения.
2. Атомно-эмиссионная спектрометрия. Это исследование спектров испускания свободных атомов и ионов вещества.
3. Флуориметрический или люминесцентный анализ. Предполагает исследование интенсивности излучения, возникающего при выделении избыточной энергии молекулами тестируемого вещества.

Определение тяжелых металлов в воде в домашних условиях, видео-инструкция:

Технологии и способы очистки сточных вод

На водоочистных сооружениях используют несколько способов. На их выбор влияет степень загрязнения и концентрация тех или иных элементов в жидкости:

1. Ионный обмен. Это обмен между ионами в растворе и ионами на поверхности твердой фазы — ионита (смолы). Плюс — очистка от Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd и цианидов. Недостаток способа — вторичное загрязнение воды после восстановления.
2. Нанофильтрация. Прогонка воды через и вдоль микрофильтров из полиамида, керамики, целлюлозы. Подходит для заключительного этапа очистки либо для умеренных загрязнений.
3. Реагентный. Предполагает химическое превращение высокотоксичных растворов в нетоксичные соединения путем добавления в воду различных концентратов. Концентраты формируются исходя из первичных проб воды. Недостатки метода: часто требуется доочистка, дороговизна реагентов.

Заключение

Тяжелые металлы в воде опасны для человека. Эта проблема — результат многолетнего прогресса. Решить ее можно только путем улучшения экологической обстановки, поскольку даже современные методы очистки воды не позволяют досконально удалить все вредные примеси.

Источник http://mining-prom.ru/cvetmet/metallurgy/tyazhelye-metally/

Источник https://o-vode.net/kakaya-byvaet/tyazhelye-metally-v-vode