Изучение процессов самоочищения природных вод в присутствии растворенных форм
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ САМООЧИЩЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД В ПРИСУТСТВИИ РАСТВОРЕННЫХ ФОРМ
МЕТАЛЛОВ ПЕРЕМЕННОЙ ВАЛЕНТНОСТИ
Р.И. Бородаев
Молдавский госуниверситет, г. Кишинев
Антропогенный прессинг, оказываемый в настоящее время на бассейн Черного моря, возрос до такой степени, что нарушаются естественные механизмы самоочищения воды и саморегуляции водных экосистем. Результатом такого нарушения явилось рождение на северо-западном шельфе Черного моря новой сероводородной зоны. Поэтому изучение процессов, ведущих к самоочищению природных вод, представляет определенный научный и практический интерес.
Под самоочищением природных вод подразумевают естественное разрушение загрязнителей в среде в результате природных физических, химических и биологических процессов.
Биологический путь самоочищения с помощью бактерий и водорослей всегда считался самым мощным. Среди физических процессов, ведущих к самоочищению, исследователи часто выделяют сорбционные и седиментационные процессы. Согласно работам институтов химической физики и экспериментальной метеорологии России, немалую роль в процессах самоочищения играют окислительно-восстановительные превращения с участием окислителей (О2, Н2О2) естественного происхождения и растворенных форм металлов переменой валентности, являющихся катализаторами.
На роль гомогенных катализаторов в условиях природных вод могут претендовать растворенные формы таких металлов как медь и железо.
Каталитическая функция растворенных форм железа возрастает при наличии в природной воде источников сильных комплексообразователей. В этом случае реакция гидролиза ионов железа (реакция 2 на диаграмме), удаляющая растворенный металл из водной среды, конкурирует с реакциями (3, 6) комплексообразования и последующего окисления (5)
органического вещества. Динамику этих процессов отражает нижеследующая диаграмма, предложенная американскими исследователями.
ДИАГРАММА
Образование
комплексных
соединений
4
5
Fe(II)-SO
Fe(III)-SO
Fe2+
3
SO*
6
SO*
-SOO**
O2
Fe2+
Fe3+
1
OH-
2
Fe(OH)3
Редокс реакции
SO*- органическое соединение, SOO**- окисленное органическое соединение.
Среди растворенных форм меди особый интерес вызывают аква ионы этого металла, включенные в биолого-химическую редокс модель природной воды, предложенной российскими учеными института химической физики на основе натурных экспериментов.
Биота микроводорослей участвует как в образовании пероксида водорода, так и в его разложении в результате выделения в водную фазу веществ с сильными восстановительными свойствами (DH2). Разложение пероксида водорода с образованием свободных гидроксильных радикалов на комплексах, образуемых акваионами меди с DH2, ведет к быстрому окислению загрязнителей природных вод. То есть, при условии превышения скорости образования пероксида водорода над скоростью образования биотой DH2 и наличия в среде следовых количеств меди, в природной воде реализуется мощный канал радикального самоочищения. Относительно природы веществ DH2, имеются пока только предположения, согласно которым под DH2 подразумевают тиольные соединения. Схема биолого-химической редокс модели природной воды представлена ниже.
Для проверки гипотез ученых, оценки скоростей процессов самоочищения нами были проведены как полевые, так и лабораторные эксперименты.
Полевые исследования проводились в бассейне реки Днестр на водохранилище Валя Морилор и его притоках. По ходу исследований фиксировались такие показатели как рН, температура воды, скорости течения притоков, концентрации меди и железа. В результате исследования было установлено, что ежегодно в водохранилище Валя Морилор остается 0,054 т меди и 0,0504т железа. Если растворенные формы железа фиксировались на протяжении всего года, варьируя от 0,05мг/л зимой до 0,16 мг/л летом, то концентрация растворенных форм меди в летний период равнялась нулю. Исчезновение меди, по-видимому, связано с активным включением этого металла в процесс фотосинтеза и другие биолого-химические, физические процессы, способствующие самоочищению водоема.
СХЕМА
Абиотические источники поступления H2O2
Биота
Другие процессы окисления
H2O2
DH2
Нерадикальные процессы разложения
Cu[I,II]
·OH
Загрязнитель
Радикальные процессы
самоочищения
Лабораторные эксперименты, проведенные нами на модельных водных системах, преследовали цель изучить поведение меди в сорбционных, окислительно-восстановительных и фотохимических процессах.
В результате моделирования процессов сорбции ионов меди на песчаной загрузке из растворов с различной исходной концентрацией была определена константа скорости сорбции процесса и другие параметры представленные в таблице.
Эксперименты на основе модели Cu(II)-Тиольное соединение-Пероксид водорода, позволили выявить каталитическую роль меди в реакции окисления тиола. В качестве тиольного соединения в нашей системе использовался цистеин (Cis). Скорость окисления цистеина возрастала и в случае облучения модели Сu-Cis-Н2О2 ультрафиолетом, наиболее активной составляющей солнечного спектра. В итоге были получены соответствующие кинетические характеристики, приведенные ниже, и выявлены основные закономерности процессов.
Таблица сорбционных параметров
Параметры
Единицы измерения
Значения
Начальная
концентрация меди
в растворе
mg/l
0,2
0,3
0,4
M. 106
3,1
4,7
6,3
Медь, сорбированная из раствора 1g песка
Mol. G-1.109
5
7,8
12,8
Начальная скорость сорбции меди песком
M. sec-1. 1011
2,4
7
12
Константа скорости сорбции
M. sec-1. 103
1,0
0,8
1,2
Константа скорости сорбции, средняя K1
M. sec-1 . 103
1,0
Кинетические и фотохимические показатели
модельной водной системы Cis-H2O2-Cu2+
1. Кинетическое выражение скорости процесса окисления цистеина
W= K2.[ Cis]1,5.[ Cu2+]0,3.[ H2O2]0,4;
где эффективная константа скорости K2=1,3 . 103 l/mol . sec
2. Константа скорости фотолиза данной реакции составила
Kd=7,6.10-4sec-1, а квантовый выход реакции оказался равным Fcis=0,160.
Полученные кинетические параметры являются необходимыми для количественного описания данных физико-химических процессов в природной водной среде, что откроет перспективу управления самоочищающей способностью и редокс состоянием природной воды.
Другие новости
| 12.07.2001 | Некоторые особенности планктона |
| 12.07.2001 | Расчетные характеристики динамики хлорированных углеводородов |
| 12.07.2001 | Имплементация международно-правовых норм |
| 12.07.2001 | Напрямки державної політики |
| 12.07.2001 | О проблеме оперативного контроля |
| 12.07.2001 | Integrated management the coastal zone |
| 12.07.2001 | Процеси самоочищення морських басейнів |
| 12.07.2001 | Экологический контроль на границе |
| 12.07.2001 | Летне-осенний режим растворенного кислорода |
| 12.07.2001 | Экотуризм на черноморском побережье – |