Амирханова Н.А., Белоногов В.В., Беляева Л.С. и др. Лабораторные работы по экологии: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

200

Рис. 3.11. Схема установки для проведения электрофореза:

1- угольные электроды; 2- U-образная трубка; 3- вольтметр;

4- амперметр; 5- реостат; 6- ключ; 7- источник постоянного тока

В течение 15 минут следите за показаниями приборов. Наблюдайте

разделение твердой фазы и рабочей жидкости.

Определите, на каком из электродов концентрируются частицы

твердой фазы. Сопоставьте знак заряда этого электрода с зарядом гранулы

мицеллы (или зарядом потенциал-определяющего слоя).

После окончательного разделения суспензии отключите установку.

Отберите пипеткой 3-5 мл осветленного раствора и, проведя качественную

реакцию на ион Fe

, убедитесь в полноте разделения суспензии.

В отчете опишите процессы, протекающие при получении суспензии

гидроксида железа, изобразите схему мицеллы и ее составные части, укажите

заряд потенциал-определяющего слоя. Опишите суть процесса

электрофореза. Представьте схему установки и наблюдения за ходом

эксперимента.

Опыт 3.7. Электрофлотация шламосодержащего раствора

Процесс проводится в трехсекционной ванне из оргстекла 1. Флотация

суспензии осуществляется с помощью пузырьков газа, выделяемых при

электролизе воды на электродах, установленных во второй секции ванны.

Анод 2 представляет собой угольный электрод. Катод 3 изготовлен в виде

сетки из проволоки нержавеющей стали с диаметром 0,2 мм. Электроды

расположены на расстоянии 10 мм друг от друга. Первая секция ванны

служит для сбора пены и шлама, которые переливаются из средней секции

через укороченную перегородку 4 между этими зонами. В третьей секции

ванны при подъеме разделяющей перегородки 5 собирается отделенный от

осадка раствор.

201

Рис. 3.12.

Схема установки для проведения электрофлотации:

1-трехсекционная ванна; 2-анод; 3-катод;

4-укороченная перегородка; 5-разделяющая перегородка

Отберите в пробирку 1 мл суспензии и проанализируйте её на наличие

ионов Fe

В центральную секцию ванны налейте суспензию с добавкой

флотирующего агента так, чтобы уровень раствора был ниже перегородки 4

на 5-7 мм. Установите в центральную секцию электроды, как представлено

на рис. 3.12. После проверки преподавателем электрической схемы замкните

ключ и реостатом установите силу тока в цепи, равную 1,5 А.

Процесс электрофлотации проводите до полного осветления жидкости

в течение 15-30 мин. Наблюдайте, как собирающийся на поверхности шлам

переливается в первую секцию. После полного осветления жидкости

отключите установку и через 2-3 мин поднимите перегородку 5 для того,

чтобы осветленная жидкость могла перелиться в третью секцию. Во

избежание попадания туда пены и шлама вовремя опустите перегородку. С

помощью пипетки отберите 1-2 мл осветленной жидкости и, проведя

качественную реакцию на ионы Fe

, убедитесь, что произошло отделение.

В отчете приведите схему флотационной ванны, опишите процесс

флотации, приведите реакции на аноде и катоде, качественную реакцию на

ион Fe

, укажите силу тока и время флотации.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Роль шлаков при получении металлов и их химические свойства.

2. Перечислите возможные способы переработки доменных шлаков и

получающиеся при этом продукты.

3. Переработка и использование сталеплавильных шлаков.

4. Что представляют из себя шлаки цветной металлургии? Условная

классификация шлаков на три группы по химическому составу.

5. Гидро- и пирометаллургические способы переработки шлаков

цветной металлургии.

6. Какие продукты входят в состав отходов энергетических установок?

202

7. Возможности использования золошлаковых отходов ТЭЦ.

8. Пути решения экологических проблем черной и цветной

металлургии.

9. Твердые отходы литейного, прокатного и кузнечно-прессового

производств.

10. Основные функции флюсов и шлаков в сварочном производстве.

11. Приведите уравнения химических реакций, в результате которых

уменьшается содержание водорода, серы, фосфора и паров воды, при

кристаллизации металла. Для чего необходимо удаление этих веществ?

12. Виды отходов в цехах механической обработки.

13. Перечислите, какие отходы образуются в машиностроении, и

операции по их переработке.

14. Что представляют шламы после электрохимической обработки

металлов?

15. Приведите схему утилизации этих шламов.

16. Отметьте некоторые направления применения шламов после ЭХО.

17. Укажите экологически вредные вещества, которые используются

при синтезе и выращивании монокристаллов и эпитаксиальных пленок

полупроводниковых материалов.

18. Опишите экологические проблемы при создании

полупроводниковых приборов.

19. Проанализируйте экологические проблемы, возникающие при

химическом травлении полупроводниковых кристаллов и пленок.

20. Приведите классификацию методов отделения твердой фазы.

21. В чем заключается метод седиментации? Роль флокулянтов.

22. Виды отстойников.

23. Особенности процесса фильтрации. Виды фильтров.

24. Центрифугирование как метод отделения твердой фазы. Аппараты

для центрифугирования.

25. Процессы осмоса и ультрафильтрации, их особенности. Схемы

аппаратов.

26. Сущность методов флотации и электрофлотации.

27. Приведите схемы процессов при электрофорезе и электроосмосе.

203

4. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ

4.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с закономерностями круговорота веществ и энергии в

биосфере, самоочищения среды от техногенных выбросов с последующим

использованием их при разработке прогрессивных безотходных и

малоотходных технологий. Овладение навыками анализа механизма физико-

химических процессов при круговороте отдельных элементов, техногенном

воздействии путем имитационного моделирования процессов в биосфере.

4.2. ВИДЫ КРУГОВОРОТА ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ

Природная среда - целостная система, в которой установилось много

сбалансированных связей. Их нарушение приводит к изменениям в

круговоротах веществ и энергии. Подвижное равновесие в природе

определяют шесть энергетических факторов: солнечная (и космическая)

энергия, сила гравитации, тектонические силы, химическая энергия

(преимущественно окислительные и восстановительные процессы),

биогенная энергия (фото- и хемосинтез, энергия окисления и усвоения пищи

у животных, размножение и продуктивность биомассы) и энергия мировой

индустрии (тепловая, механическая, электрическая, электромагнитная,

химическая и ядерная).

Как писал В.Р. Вильямс, для того, чтобы что-либо конечное приобрело

свойства бесконечного, необходимо, чтобы оно находилось в круговороте.

Выделяют 2 круговорота веществ: большой (геологический) и малый

(биотический).

4.2.1. Большой (геологический) круговорот веществ

Большой (геологический) круговорот веществ протекает от нескольких

сотен тысяч до нескольких миллионов лет, включая в себя такие процессы,

как круговорот воды и денудация суши.

По оценке М.И. Львовича объем воды, расходуемой в процессе

хозяйственной деятельности, достигает 376000 км

, что практически равно

ресурсам мирового речного стока, т. е. возобновимым ресурсам пресной

воды. За счет антропогенного воздействия природный цикл воды в биосфере

(рис. 4.1) перестает быть равновесным.

Между тем вода на Земле является одним из важнейших

организующих начал природной сферы, и, как писал В.И.Вернадский:

«…картина видимой природы определяется водой». Это обусловливает

необходимость постепенного перехода на технологические процессы,

использующие замкнутые циклы водоснабжения, бессточные технологии,

или, на первом этапе, определенный уровень химической, биохимической и

другой очистки сточных вод.

204

Атмосфера

Океаны Материки

Рис. 4.1. Глобальный активный круговорот воды, тыс. км

1,VI-испарение; II,IX-осадки; III-перенос влаги с океанов на материк;

IV-транзит океанической влаги; V-атмосферный сток с материков; VII-

бессточная облачность; VIII-осадки бессточной облачности; X-речной сток;

XI-подземный сток прямо в океаны; XII-перенос воды течениями; XIII -

подземный сток в пределах дна

Для функционирования географической оболочки должно выполняться

одно из необходимых условий - непрерывное перемещение вещества земной

коры. Экзодинамический механизм сводится к преобладанию денудации на

суше и аккумуляции сносимого вещества в океане, а также во внутренних

водоемах. Продукты денудации суши находятся в постоянном круговороте.

Величина общей денудации суши складывается из общего изъятия

вещества суши (52990 млн т/год), общего привноса вещества на сушу (4043

млн т/год), и составляет 48947 млн т/год. Антропогенное вмешательство

ведет к ускорению денудации, приводя, например, к землетрясениям в зонах

водохранилищ, построенных в сейсмоактивных районах. Поэтому важными

техническими задачами являются защита металлов от коррозии, утилизация

шламов, что позволяет вовлекать металлы в круговорот при их

использовании и тем самым давать возможность ограничить потребности в

полезных ископаемых.

4.2.2. Малый (биотический) круговорот веществ

Малый (биотический) круговорот веществ происходит на уровне

биогеоценоза. Вначале рассмотрим более широкое понятие - экосистема.

Экосистема - это совокупность совместно обитающих разных видов

организмов и условий их существования, находящихся в закономерной

взаимосвязи друг с другом. Как видно из рис. 4.2, ее составляют четыре

основных компонента: 1 - поток энергии, поступающий от Солнца, или

другого источника как движущая сила; 2 - круговорот веществ;

3 - сообщество в виде пищевой сети; 4 - управляющие петли обратной

связи.

205

Рис. 4.2. Функциональная схема экосистемы:

1 - поток энергии; 2 - круговорот веществ; 3 - сообщество;

4 - петля обратной связи; S - запасы питательных веществ;

Q - сток тепла

Как видно из рис. 4.2, обратная связь обеспечивается как экспортом

веществ и энергии, так и вводом запасов энергии в экосистему.

Биогеоценоз - более узкое понятие по сравнению с экосистемой и

представляет собой совокупность абиотических факторов (экотоп) и живых

организмов на каком-либо участке местности, тогда как экосистема - это

конкретный природный объект (луг, лес, озеро). Для существования

биогеоценоза, или экосистемы в целом, существенную роль играет

функционирование трофической цепи, при котором один вид питается

другим или продуктами его жизнедеятельности.

В экосистеме имеются «каналы» передачи информации и энергии -

химический, энергетический, генетический. Такая система, в частности

биогеоценоз, имеет положительную или отрицательную обратную связь.

Например, естественный отбор, по Ч. Дарвину, поддерживает равновесие.

Устойчивое состояние отвечает гомеостатическому плато. При нагрузке,

нарушающей обратные связи, система может погибнуть. Помехи -

нарушение обратной связи.

Пример: среди оленей возникла инфекционная болезнь или на оленей,

кроме волков, начал охотиться какой-то другой хищник и т. п.

Помехи из-за влияния человека при техногенезе отличны от

естественных. Например, гербициды, уничтожающие сорняки, вносят помехи

в биогеоценоз в целом.

Условие существования биогеоценоза, или экосистемы в целом, это -

гомеостаз, т. е. состояние подвижно-стабильного равновесия. В случае

естественного биоценоза экосистема открытая, гомеостаз поддерживается, но

тем не менее происходят последовательные изменения - сукцессии, когда

один биоценоз сменяется другим. Экосистема, созданная человеком,

например, для биохимической очистки сточных вод, работает только, если

ею управляет человек.

206

4.2.3. Антропогенный круговорот веществ

Под ресурсным циклом или антропогенным круговоротом веществ

(рис. 4.3) понимают совокупность превращений и пространственных

перемещений определенного вещества или группы веществ на всех этапах

использования их человеком. Цикл фактически не замкнут из-за потерь,

например, каменный уголь обратно в места залегания не возвращается.

Антропогенный круговорот (ресурсный цикл) естественен, как и любой

другой, но предполагает разумное волевое начало.

4.3. КРУГОВОРОТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ БИОСФЕРЫ

Понятие о биогеохимическом цикле включает в себя круговорот

химических веществ из неорганической среды через растительные и

животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием

солнечной энергии для протекания химических реакций. Время круговорота

в атмосфере составляет для углерода 8 лет (12 % СО

воздуха в год), азота -

более 110 лет, кислорода - 2500 лет.

Данные изотопного анализа показывают, что легкие изотопы

Н,

О,

С, атомы

N переходят из организма в организм и удерживаются в

круге жизни сотни миллионов лет. Эти пять элементов называют

биофильными (жизнелюбивыми). Из других элементов исключительно

важную биологическую роль выполняет фосфор, участвующий в биосинтезе

белков, нуклеиновых кислот, пептидов и т. п. Развитие промышленного

производства существенно изменило круговорот таких металлов, как

алюминий, железо, свинец, кадмий, ртуть, стронций и др.

Природные залежи

Извлеченные Оставленные в залежи

Транспортировка Дополнительная Потери

добыча

Потери

Переработка Частичный возврат

Частичный Отходы

возврат

Продукция Износ и коррозия

Лом Выход из строя Полный

Загрязнение окружающей среды

Рис. 4.3. Схема ресурсного цикла

207

4.3.1. Углерод

По распространенности во Вселенной углерод занимает третье место

(после водорода и гелия). Его роль в возникновении жизни на Земле огромна.

Предполагается, что при образовании земной коры часть углерода вошла в

состав ее глубинных слоев, а другая часть была удержана атмосферой в виде

СО. При понижении температуры протекает реакция

O (пар) + СО = Н

+ СО

+ 41,868 кДж. (4.1)

Поэтому ко времени появления на Земле жидкой воды углерод должен

был находиться в виде СО

. На рис. 4.4 представлен биогеохимический цикл

углерода.

Зеленые растения

2 1 4

Животные 3 Атмосфера и

5 гидросфера

6 8 7

Минералы

Рис. 4.4. Биогеохимический цикл углерода

(объяснение обозначений 1-8 в тексте)

По направлению 1 растения постоянно извлекают углекислый газ из

атмосферы и через пищевые связи передают животным (направление 2).

Линии 3,4 показывают, что дыхание животных, растений, тление их остатков

постоянно возвращают углерод атмосфере и водам океана в виде СО

. Линия

5 отражает частичный вывод углерода из кругооборота за счет

минерализации растений, линия 6 - аналогичный процесс за счет

минерализации животных. Согласно направлению 7 происходит еще более

мощный вывод углерода из кругооборота за счет неорганического процесса

выветривания горных пород.

При выветривании металлы под действием СО

атмосферы переходят в

карбонаты, затем водой вымываются и попадают в океан. За год связывается

около 2 млрд т углерода. Линия 8 отражает частичный возврат углерода в

круговорот за счет природных процессов - извержений вулканов, газовых

источников, действия образующейся при грозах HNO

на известняк и т.п. В

природе наблюдается тенденция к уменьшению содержания СО

атмосфере.

Однако реально природные процессы протекают в условиях

антропогенного воздействия. Оно проявляется в изменении площади

зеленых насаждений, возвращении углерода из биологических тупиков при

сжигании топлива и т. д. Влияние человека на природный круговорот

углерода можно представить схемой (рис. 4.5).

208

Природный цикл

Углерод Углерод

СО

минералов

Сознательная деятельность

человека

Рис. 4.5. Влияние человека на природный круговорот углерода

Повышение содержания СО

в атмосфере в свою очередь

обусловливает экологические проблемы, в частности, «парниковый эффект»,

при котором тепловое излучение Земли поглощается атмосферой.

4.3.2. Кислород

Кислород является самым распространенным на Земле химическим

элементом, на долю которого приходится 44 % массы верхней мантии Земли,

47 % массы земной коры, 86 % массы гидросферы, 70 % массы живого

вещества; его содержат 1364 минерала. В атмосфере содержится 23 массовых

процента кислорода, в том числе свободного О

- 1015 т; в человеческом

организме – 65 %, в песке – 53 %.

Цикл кислорода (рис. 4.6) тесно связан с циклами других элементов, в

частности, углерода в виде углекислого газа.

Кислород атмосферы

Разрушение

Фотосинтез Дыхание Сжигание органического

горючего вещества почвы

Углекислый газ

Рис. 4.6. Цикл кислорода и углекислого газа в биосфере

4.3.3. Водород

Водород - один из наиболее распространенных элементов,

составляющий 17 атм. % или 1 масс. % от общей массы атмосферы,

гидросферы и литосферы. В основном водород представлен в связанном

виде: в воде – 11 %, глине - 1,5 %; входит в состав нефти, природного газа и

всех живых организмов. Свободный водород содержится в вулканических

газах, образуется при разложении органических остатков, а наибольшее

количество его выделяется зелеными растениями; в атмосфере на уровне

моря около 5·10

-5

объемных процента водорода.

209

4.3.4. Азот

Азот - один из самых распространенных элементов на Земле,

важнейшая составляющая живого вещества. На рис. 4.7 представлена схема

круговорота азота с учетом физико-химических превращений. Направление

1, характеризующее переход от N

к HNO

, является важнейшим природным

процессом.

HNO

3 6 1

9 7

Белок N

5 8

4 NH

Рис. 4.7. Схема круговорота азота с учетом физико-химических

превращений

Электрические разряды (грозы) в теплой и влажной атмосфере

отдаленных геологических эпох обусловливали частичную диссоциацию

(г) и Н

О (пар) на атомы элементов, связывание атомов N в NO, а затем в

и HNO

. Вместе с дождями HNO

попадала на Землю и

нейтрализовалась солями более слабых кислот, в частности, угольной.

Азот может быть использован биологической системой

непосредственно за счет его фиксации. Переход 1 в природе протекает за

счет биологической фиксации азота клубеньковыми бактериями. В

гидросфере фиксацию осуществляют сине-зеленые водоросли (направление

2):

→

−зеленыесине

2 N (фиксация). (4.2)

водоросли

2 N + 3 Н

→ 2 NH

. (4.3)

Линия

3 показывает, что с развитием органической жизни нитраты

послужили материалом для выработки белковых веществ. При гниении

(линия

4) связанный азот переходит в аммиак и соли аммония:

-(CH

)

-COOH →

цияаммонифика

6 NH

+ CO

+ H

O . (4.4)