Первые свидетельства того, что человек занимался металлургией, относятся к 5-6 тысячелетиям до н.э. и были найдены в Майданпеке, Плочнике и других местах в Сербии (в том числе медный топор 5500 лет до н.э., относящийся к культуре Винча) [1], Болгарии (5000 лет до н.э.), Палмеле (Португалия), Испании, Стоунхендже (Великобритания). Однако, как это нередко случается со столь давними явлениями, возраст не всегда может быть точно определен. В культуре ранних времен присутствуют серебро, медь, олово и метеоритное железо, позволявшие вести ограниченную металлообработку. Так, высоко ценились «Небесные кинжалы» – египетское оружие, созданное из метеоритного железа 3000 лет до н.э.. Но, научившись добывать медь и олова из горной породы и получать сплав, названный бронзовый, люди в 3500 годы до н.э. вступили в Бронзовый век. Получение железа из руды и выплавка металла было гораздо сложнее. Считается, что технология была изобретена хеттами примерно в 1200 году до н.э., что стало началом Железного века. Секрет добычи и изготовления железа стал ключевым фактором могущества филистимлян. Следы развития черной металлургии можно отследить во многих прошлых культурах и цивилизациях. Сюда входят древние и средневековые королевства и империи Среднего Востока и Ближнего Востока, древний Египет и Анатолия (Турция), Карфаген, греки и римляне античной и средневековой Европы, Китай, Индия, Япония и т.д. Нужно заметить, что многие методы, устройства и технологии металлургии первоначально были придуманы в Древнем Китае, а потом и европейцы освоили это ремесло (изобретя доменные печи, чугун, сталь, гидромолоты и т.п.). Тем не менее, последние исследования свидетельствуют о том, что технологии римлян были гораздо более продвинутыми, чем предполагалось ранее, особенно в области горной добычи и ковки.
Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах (рис. 1). Термин тяжелые металлы, характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. Количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).
Рис. 1 Схема загрязнения окружающей среды
Немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль, которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н.Реймерса (1931 – 1993), тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.
В работах Ю.А. Израэля (1930) в перечне химических веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях в биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы поименованы Pb, Hg, Cd, As. С другой стороны, согласно решению целевой группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым металлам. По определению Н. Реймерса отдельно от тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn [3], [4] (табл. № 1).
Плотность и температура плавления некоторых тяжелых металлов
Таблица № 1
|
Название |
Атомный вес |
Плотность г/см3 |
Температура плавления, С0 |
ПДК, мг/л |
|
Цинк |
65,37 |
7,14 |
419 |
0,01 |
|
Хром |
51,996 |
7,16 |
1875 |
0,02 |
|
Марганец |
54,9380 |
7,44 |
1244 |
- |
|
Олово |
118,69 |
7,28 |
231,9 |
- |
|
Железо |
55,847 |
7,86 |
1539 |
0,1 |
|
Кадмий |
112,40 |
8,65 |
321 |
0,005 |
|
Никель |
58,71 |
8,90 |
1453 |
0,01 |
|
Медь |
63,546 |
8,92 |
1083 |
- |
|
Свинец |
207,19 |
11,344 |
327,3 |
0,006 |
|
Ртуть |
200,59 |
13,546 |
- 38,87 |
- |
|
Осмий |
190,2 |
22,5 |
2700 |
- |
|
Висмут |
208,980 |
9,80 |
271,3 |
- |
В табл. № 2 приведены колебания химического состава основных шлаков на различных предприятиях страны.
Химический состав сталеплавильных шлаков [5]
Таблица № 2
|
Шлак |
Содержание, % |
||||||
|
CaO |
SiO2 |
Al2O3 |
MgO |
MnO |
FeO |
FeO+Fe2O3 |
|
|
Мартеновский: |
24-28 |
24-25 |
4-5 |
8-11 |
6-7 |
1-2 |
13-27 |
|
первичный |
36-38 |
18-34 |
3-4 |
6-12 |
6-11 |
0,4-0,7 |
9-20 |
|
конечный |
36-43 |
14-18 |
5-7 |
11-18 |
5-23 |
0,1-0,7 |
11-22 |
|
38-53 |
15-20 |
2-9 |
8-11 |
4-9 |
0,6-1,5 |
10-16 |
|
|
Конвертерный |
40-55 |
7-18 |
2-6 |
6-10 |
13-14 |
9-17 |
12-28 |
|
Электро-сталеплавильный: первичный |
32-35 |
19-20 |
2-8 |
11-17 |
1-5 |
1-2 |
11-25 |
|
конечный |
42-55 |
17-22 |
4-9 |
14-16 |
1-4 |
0,02-0,2 |
1-3 |
В организме человека находятся 81 химический элемент из 92 встречающихся в природе. Человеческий организм – сложная химическая лаборатория. Трудно себе представить, но ежедневно наше самочувствие, настроение и даже аппетит могут зависеть от минеральных веществ. Без них бесполезными оказываются витамины, невозможны синтез и распад белков, жиров и углеводов. То, что повышенная концентрация тяжёлых металлов и их соединений оказывает непосредственное отрицательное воздействие на организм человека, является общеизвестным фактом. Опасность проникновения в организм этих элементов связана также с тем, что они плохо выводятся из организма. А так как человек является конечным звеном цепи питания, то именно в его организме часто накапливается наибольшая доза (табл. № 3, 4).
Биогеохимические свойства тяжелых металлов
Таблица № 3
|
Свойство |
Cd |
Co |
Cu |
Hg |
Ni |
Pb |
Zn |
|
Биохимическая активность |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
|
Токсичность |
В |
У |
У |
В |
У |
В |
У |
|
Канцерогенность |
- |
B |
- |
- |
B |
- |
- |
|
Обогащение аэрозолей |
B |
H |
B |
B |
H |
B |
B |
|
Минеральная форма распространения |
B |
B |
H |
B |
H |
B |
H |
|
Органическая форма распространения |
B |
B |
B |
B |
B |
B |
B |
|
Подвижность |
B |
H |
У |
В |
Н |
В |
У |
|
Тенденция к биоконцентрированию |
В |
В |
У |
В |
В |
В |
У |
|
Эффективность накопления |
В |
У |
В |
В |
У |
В |
В |
|
Комплексообразующая способность |
У |
Н |
В |
У |
Н |
Н |
В |
|
Склонность к гидролизу |
У |
Н |
В |
У |
У |
У |
В |
|
Растворимость соединений |
В |
Н |
В |
В |
Н |
В |
В |
|
Время жизни |
В |
В |
В |
Н |
В |
Н |
В |
В- высокая, У - умеренная, Н - низкая
Влияние недостатка и избытка ионов металлов на состояние растений и животных
Таблица № 4
|
Металл |
Влияние металла (иона) на состояние организмов |
|
|
недостаточна |
избыточна |
|
|
Марганец |
У растений – хлороз. У птиц – нарушения развития крыльев |
Нарушения развития растений. В высоких степенях окисления сильно токсичен |
|
Железо |
У растений – хлороз, замедление образования хлорофилла |
В больших количествах токсично для животных и растений |
|
Медь |
У животных – анемия |
В повышенной концентрации токсична для животных и растений |
|
Цинк |
Заболевания растений |
Токсичен для животных и растений |
|
Молибден |
Заболевания бобовых растений |
При избытке в почвах - заболевания скота |
Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу [2]. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу.
Например, свинец – типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых организмах. Наконец, свинец активно рассеивается в окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности человека. Это выбросы с промышленными и бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий, с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. Миграционный поток свинца с континента в океан идет не только с речными стоками, но и через атмосферу. С континентальной пылью океан получает 20-30 т. свинца в год. Многие страны, имеющие выход к морю, производят морское захоронение различных материалов и веществ, в частности грунта, вынутого при дноуглубительных работах, бурового шлака, отходов промышленности, строительного мусора, твердых отходов, взрывчатых и химических веществ, радиоактивных отходов. Объем захоронений составил около 10% от всей массы загрязняющих веществ, поступающих в Мировой океан.
В настоящее время в России происходит зарождение и довольно интенсивное развитие новой отрасли, которую президент РФ Д.А. Медведев назвал отходоперерабатывающей. Отходоперерабатывающая отрасль, называемая на Западе отраслью управления отходами (Waste management), является одной из наиболее быстро развивающихся отраслей в мире.
В настоящее время целый ряд вузов страны осваивает профессиональную подготовку специалистов в этой области. Приказом Министерства образования РФ № 4492 от 19 декабря 2002 г. в экспериментальном порядке открыта новая специальность «Металлургия техногенных и вторичных ресурсов». В настоящее время обучение по данной специальности ведется в 4 вузах России: ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (аккредитация до 28.04.2013г.); Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС» (аккредитация до 23.06.2013г.); Уральский государственный технический университет «УГТУ-УПИ» (аккредитация до 07.03.2013г.); Сибирский федеральный университет (аккредитация до 29.12.2012г.).
В настоящее время ведутся исследования, по миграции тяжелых металлов на окружающую среду в таблице № 5 приведен некоторый список диссертаций.
Таблица № 5
Диссертации по миграции тяжелых металлов
|
Ф.И.О. |
название |
место защиты |
год |
Ученое звание |
|
Гундарева Анна Николаевна |
«Биогенная миграция меди, цинка и марганца в наземных экосистемах Астраханской области» |
Астрахань |
2006 |
Кандидат биологических наук |
|
Масленникова Антонина Ивановна |
Миграция тяжелых металлов в системе «почва - корм – продукция» |
Ульяновск |
2006 |
Кандидат сельскохозяйственных наук |
|
Пинаев Александр Викторович |
«Миграция ионов тяжелых металлов в почву при захоронении осадков сточных вод гальванического производства» |
Ульяновск |
2006 |
Кандидат биологических наук |
|
Щипцова Надежда Варсонофьевна
|
«Миграция тяжелых металлов в цепи почва - растения - животные при использовании осадков сточных вод»
|
Москва
|
2009
|
кандидат биологических наук
|
|
Соколова, Олеся Владимировна
|
«Экспериментальное исследование и термодинамическое моделирование миграции тяжелых металлов в системе «вода - донные отложения» в зоне антропогенного воздействия» |
Москва |
2008 |
кандидата геолого-минералогических наук |
Одной из острейших проблем на современном этапе развития металлургического комплекса России являются рациональное природопользование и охрана окружающей среды.
Таким образом, по уровню выбросов вредных веществ в атмосферу и водоемы, образованию твердых отходов металлургия превосходит все сырьевые отрасли промышленности, создавая высокую экологическую опасность ее производства и повышенную социальную напряженность в районах действия металлургических предприятий.
Защита окружающей среды в отраслях металлургического комплекса требует огромных затрат. Различие их существенно влияет на выбор основного технологического процесса. Иногда более целесообразным оказывается применение технологического процесса, менее загрязняющего окружающую среду, чем контроль (с огромными затратами) уровня загрязненности и организации борьбы с этими загрязнениями при использовании традиционных технологий.
Огромнейшие резервы и возможности решения экологических проблем заключены в комплексности переработки сырья, в полном использовании полезных компонентов в его составе и месторождениях.
Список используемых источников
1. Герасимов Я. И. Химическая термодинамика в цветной металлургии. Т. 1-7. / Я.И. Герасимов, А.Н. Крестовников, А.С. Шахов и др. – М.: Металлургиздат, 1960 - 1973. – 2108 с.
2. Справочник по гидрохимии./ Под ред. А.М. Никанорова. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988.
3. Скурлатов Ю.И., Дука Г.Г., Мизити А. Введение в экологическую химию. – М.: «Высшая школа», 1994.
4. Мур Дж.В., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. – М.: «Мир», 1987.
5. Переработка шлаков и безотходная технология в металлургии. Панфилов М.И., Школьник Я.Ш., Оринский Н.В., Коломиец В.А., Сорокин Ю.В., Грабеклис А.А. М.: Металлургия, 1987. 238 с.
