Фазлутдинов К.К.

05.08.2018 (обновленно 05.08.2018)

3104 просмотров

Вред металлов в воде для здоровья человека

С резким развитием экономики и промышленности увеличилось потребление водных ресурсов, количество которых, в свою очередь, серьезно сокращается в связи с загрязнением отходами различных индустриальных областей. Один из страшнейших загрязнителей воды это тяжелые металлы, которые в отличии от органических загрязнителей имеют свойство аккумулироваться и не разлагаются естественным образом. При этом соединения тяжелых металлов хорошо растворимы в воде и могут легко адсорбироваться живыми организмами, увеличивая свою концентрацию на всем протяжении пищевой цепочки, вплоть до человека.

Только в Японии в год образуется до 65 тысяч тонн гальванических шламов, содержащих хром, медь, цинк, никель и другие ценные компоненты.

Хотя в низких концентрациях тяжелые металлы являются необходимыми для большинства животных и растений (участвуют в биохимической и иммунной деятельности), в высоких дозах все они становятся токсичными веществами. Цинк, медь, хром и никель являются жизненно необходимыми компонентами в организме человека, но превышении их содержания приводит к множеству проблем со здоровьем.

На данный момент наиболее часто применяемый способ борьбы с гальваническими шламами это их захоронение. При этом одновременно происходит потеря больших количеств ценных компонентов, пригодных к извлечению и наносится непоправимый вред окружающей среде.

Разработка экономически целесообразных методов переработки может занять десятилетия, и только 10% разработок переносится из лабораторных масштабов в промышленные.

Проблема тяжелых металлов впервые обрела глобальные масштабы в 1970 годах. Первые работы по токсичности тяжелых металлов принадлежат Лестеру (1979 г.), Энрлиху (1997 г.) и Ниесу (1999 г.). В 1999 году в Европе был принят закон, запрещающий захоронение жидких и твердых отходов, имеющих в своем составе тяжелые металлы.

Существует достаточно обширный перечень классификаций тяжелых металлов, многие из которых противоречат друг другу. Часто упоминаемые критерии классификации — атомный номер больше чем «40-50», плотность больше чем «5-8» и так далее. Благодаря размытости определения, один и тот же металл может быть, как отнесен к списку тяжелых, так и вычеркнут из него. Основная опасность тяжелых металлов — способность аккумулироваться. При накоплении металлов в почве, по цепочке «почва-растения-животные-человек» тяжелые металлы попадают в организм человека и продолжают там накапливаться. Рассмотрим подробнее тяжелые металлы, наиболее часто содержащиеся в гальванических шламах.

Цинк — голубовато белый, блестящий металл. 23-й самый распространенный элемент земной коры. Цинк является компонентом многочисленных белков и дополнительным компонентом металло-энзимов. Цинк и медь являются антагонизмами, т.е. при превышении содержания меди в организме, уменьшается количество меди и наоборот. 

Медь — мягкий металл розово-золотистого цвета. Играет важную роль в метаболизме человека, так как она позволяет большинству энзимов функционировать должным образом. Медь необходима для поддержания прочности кожи, кровеносных сосудов, эпителия и соединительной ткани по всему телу. Медь участвует в продукции гемоглобина, миелина, меланина а также помогает щитовидной железо нормально функционировать. 

Хром — твердый металл белого цвета с голубым оттенком. Соединения хрома (III) хотя и не являются такими токсичными, как соединения хрома (VI), одновременно являются биологически труднодоступными. Противодиабетическая активность хрома (III) давно известна, но при этом существуют опасения по поводу перехода хрома (III) в хром (VI) в следствии биологических процессов. Трехвалентный хром необходим для нормального углеводного, липидного и белкового обмена. Соединения хрома действуют параллельно с функциями инсулина. Хром имеет различные степени окисления от (-IV) до (+VI), но в окружающей среде чаще всего можно наблюдать только трех- и шестивалентные хромовые соединения. 

Никель — пластичный и ковкий металл серебристо-белого цвета. Биологическая роль никеля малоизученна, но известно, что роль никеля связана с ферментами, влияющими на расщепление и употребление глюкозы. Никель участвует в метаболизме железа и играет некоторую роль в создании эритроцитов. 

Железо — металл серебристо-белого цвета. Является основой гемоглобина крови. Участвует в обменных процессах, в процессах передачи кислорода и энергии, в формировании соединительных тканей нейротрансмиттеров головного мозга. Гормоны щитовидной железы и многие ферменты включаются в свой состав соединения железа. 

Не смотря на важную роль тяжелых металлов в биологических процессах, все они при превышении допустимого содержания в организме становятся ядами и канцерогенами. Основная проблема связанная с тяжелыми металлами – их накопление в организме.

В окружающем нас мире в естественном виде существуют разнообразные тяжелые металлы: кадмий, хром, кобальт, медь, свинец, ртуть, цинк и другие.

Все эти металлы в малых количествах участвуют в поддержании нормальных функций человеческого организма, но малейшие превышения допустимых концентраций делает эти вещества крайне токсичными. Излишки металлов не метаболируются организмом и накапливаются в тканях. Тяжелые металлы могут попадать в человеческий организм из-за их склонности к аккумуляции в тканях растений и животных, которые служат пищей для человека. Дополнительным источником тяжелых металлов могут служить природные воды, загрязненные соединениями тяжелых металлов.

Для уменьшения и предотвращения загрязнений тяжелыми металлами многие развитые страны устанавливают нормы сбросов в окружающую среду и принимают законы по ее защите от загрязнений.

За последние десятилетия человечество изобрело множество способов очистки сточных вод от тяжелых металлов. От простейших – химическое осаждение, пиролиз, адсорбция, реагентные способы очистки,  до более сложных – жидкостная экстракция, ионный обмен, мембранная фильтрация, электрохимические технологии очистки, биологическая очистка и другие. Несмотря на достоинства этих методов, все они имеют один основной недостаток: низкую степень извлечения или высокую стоимость очистки. При этом некоторые способы очистки подразумевают образование дополнительного количества шлама в процессе применения.  Открытым остается вопрос дальнейшего обращения с полученными в процессе переработки концентратами тяжелых металлов. Возможны способы извлечения ценных металлов, но зачастую они не реентабельны и трудновыполнимы в промышленных условиях.

Один из способов удаления тяжелых металлов из водной среды — биологическая очистка. Учеными выведены штаммы бактерий, устойчивых к тяжелым металлам и их соединениям, например к соединениям шестивалентного хрома. Бактерии выполняют функцию восстановителей и переводят токсичный шестивалентный хром в менее токсичный трехвалентный, что в дальнейшем позволяет захоронить отходы после биологической отчистки.

Помимо своей непосредственной токсичности, присутствие тяжелых металлов в растворе зачастую препятствует применению биологическую очистки, так как они пагубно влияют на микроорганизмы-очистители.

Поэтому, основные исследования в области биологической очистки направлены на выведение штаммов бактерий, устойчивых ко всему спектру тяжелых металлов и обладающих способностью перерабатывать или поглощать их, при этом поддерживая свою популяцию на уровне, необходимом для поддержания уверенных темпов очистки.

Одним из наиболее распространенных методов, применяемых к отходам содержащим тяжелые металлы, является пиролиз. Несмотря на свою простоту и сравнительную экономичность (затраты тепла могут компенсироваться процессами самораспространяющихся экзотермических реакций при правильной постановке процесса), основной недостаток пиролитических методов - образование вредных для организма человека и окружающей среды химических соединений.