Июл 15 2001

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ САМООЧИЩЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД В ПРИСУТСТВИИ РАСТВОРЕННЫХ ФОРМ

Опубликовано в 10:50 в категории Экология Черного моря

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.

  • Нет пока ответов

    Комментарии закрыты.