Ауыр металдар ионының тұрмыста қолданатын судан тазарту жолдары

Қазіргі кезде ауыр металдар термині ластаушы заттар тобы ретінде кең таралуда. Әр түрлі ғылыми және тәжірибелік жұмыстарда авторлар бұл ұғымды әрқалай талдайды. Осыған орай, ауыр металдарға жататын химиялық элеменнтер саны кең көлемде өзгереді. Металдар қатарына жатқызуға болатын критерийлер бірнеше болып келеді, олар: атомдық массасы, тығыздығы, уыттылығы, табиғи ортада таралуы, табиғи және техногенді циклдарға қатысу дәрежесі. Кейбір жағдайларда олардың қатарына «жұмсақ» металдар санатына жататын металдар да кіреді, мысалы висмут, немесе металоидтарға жататын мышьяк.

Бүгінгі таңда қоршаған ортаны, табиғатты ластау проблемаларына және экологиялық мониторингке қатысты ғылыми жұмыстарда ауыр металдар тізіміне Д.И. Менделеевтің периодтық кестесіндегі, атомдық массасы 50 атомдық бірліктен көп 40-тан астам металдар кіреді: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi және т.б. Осыған қарамастан, ауыр металдарды категорияларға бөлу талаптары көп қызмет атқарады, олар: салыстырмалы түрде аз концентрацияда тірі организмдер үшін уытты болуы және де биоаккумуляцияға және биомагнификацияға бейімділігі. Осы сипаттамаларға сәйкес келетін барлық дерлік металдар биологиялық процесстерде белсенді қатысады және көптеген ферменттердің құрамына кіреді.

Бүкіләлемдік денсаулық сақтау ұйымының мәліметтеріне сәйкес, бүгінгі таңда қолданыстағы 500 мың химиялық байланыстың 40 мың шамасы адамға зиян келтіретін болса, ал соның 12 мыңы уытты болып табылады. Уытты заттардың көбісі оларды алу және зерттеу кезінде биосфераға таралады. Олардың қоршаған ортаға әсер етуін едәуір түрде азайту химиялық әдістердің көмегімен жетуге болады.

Ластау объектілері:

§ Атмосфера – шаң-тозаңның улкен көлемі, қышқыл газдар (көміртек диоксиді, күкірт байланыстары, азот оксиді және т.с.с.), метал оксидтері, әр-түрлі органикалық заттар және т.б.;

§ Гидросфера – өндіріс өнімдерінің қалдықтары, соның ішінде өнеркәсіптік орындардың өнімдері, қала және ауыл шаруашылықтарының қалдықтары және т.б.

§ Топырақ – уытты заттар(диоксиндер, фитоксиндер, дефолианттар, пестицидтер,гербицидтер,ауыр металдар ионы, тұздар), жылу электростанцияларының, металургиялық және химиялық зауыттардың және тау-кен өндірісінің қатты қалдықтары және т.б.

Гидросфера адам өмір сүруіне қажетті және табиғатта болып жатқан көптеген процестерде маңызды рөл атқарады. Су қала және ауыл шаруашылықтарында, өндірісте кеңінен қолданылады.

Судың бірнеше түрі болады, ішуге арналған, жер беті ащы суы, жер асты сулары, атмосфералық(жауын-шашын), теңіз суы және қалдықтар.

Ауыр металдар ионының адам ағзасына әсері

Ауыр металдар біздің ағзамызға түскеннен кейін ол жерде ұзақ уақытқа калады және оларды тек сүт ақуызымен немесе ақ саңырауқұлақтармен ғана шығаруға болады. Адам ағзасында белгілі бір концентрацияға жеткен соң олар өзінің кері әсерін тигізуді бастайды, яғни ағзаны улайды және мутацияға ұшыратады. Ауыр металдар адам ағзасын улаудан бөлек, оны механикалық түрде ластайды – ауыр металдар иондары адам ағзасындағы өмірлік маңызды мүшелерінің жұқа қабаттарында жабысып қалады және бүрек және бауыр жолдарын ластайды, сол себепті осы ағзалардың фильтрлеу қасиетін жояды. Осыған орай бұл осы ағзалардағы токсиндардың жиналуына алып келеді, бұл дегеніміз организмнің өзін-өзі улауына алып келеді, себебі бауыр адам ағзасына түскен уытты заттарды өңдеуге жауап береді, ал бүйрек оларды сыртқа шығаруға жауап береді. Ауыр металдардың пайда болу жолдары табиғи(тау-кен қазбалары мен минералдар, эрозиялық процесстер, жанартау қызметі) және техногенді (пайдалы қазба-байлықтардың өндірісі, жанар жағармайдың жануы, көлік қозғалысы, ауыл шаруашылық қызметі).

Қоршаған ортаға жұқа аэрозоль түрінде түсетін техногенді қалдықтардың бір бөлігі үлкен қашықтықтарға тасымалданғандықтан табиғаттың ластануы глобальды түрде жүреді.

Ал техногенді қалдықтардың басқа бір бөлігі су арналарына түсіп, ауыр металдардың жинағына айналады және де екінші мәрте ластану көзі болып табылады, яғни физико-химиялық процесстерге ұшырап, қауіпті қалдықтардың пайда болуы, тек қана сәйкес ортада пайда болады(мысалы, уытты емес заттан улы фосген газының пайда болуы).

Ауыр металдар топырақтың беткі қабатында, әсіресе жоғарғы гумус қабатында жиналады да, сілтілеу әдісі барысында, өсімдік өсіру, эрозия және дефляция – топырақ қабатын үрлеу барысында баяу жойылады. Бастапқы концентрациясынан бастап жартылай жою кезеңі ұзақ уақыт алады: цинк үшін 70 тен 510 жылға дейін, кадмий үшін 13 тен 110 жылға дейін, мыс үшін 310 нан 1500 жылға дейін және де қорғасын 740 тан 5900 жыл уақыт. Топырақ бетінің гумустық қабатына түскен байланыстардың бірінші реттік трансформациясы жүзеге асады.

Темірдің жоғарғы концентрациясы болат және шойыннан жасалған су құбырларын қолдану барысында, каррозияға ушырау кезінде пайда болады. «Темірленген су» басында тұнық болады, бірақ уақыт өте және қыздыру барысында сарғыш-қоңырқай реңді қабылдайды, дәл осындай су тот басқан судың ағуының себебі болып табылады. Мұндай судың дәмі өзіне тән «темірленген су» дәмі болып табылады.

Темір концентрациясының деңгейі жоғары суды жүйелі түрде ішу гемохроматоз атты аурудың дамуына алып келуі мүмкін. Бұл ауру адам организмінде темірдің жиналуы болып табылады.

Ауыр металдар әр-түрлі химиялық, физико-химиялық және биологиялық реакцияларға түсуге жақсы бейімделген. Олар көбісі өзгермелі айнымалы валенттікті болады және тотығу-тотықсыздану процестеріне қатысады. Ауыр металдар және олардың байланыстары, басқа да химиялық байланыстар сияқты қоршаған ортада орын ауыстырып, бөлшектерге бөлініп таралу қасиетіне ие. Ауыр металдардың байланыстарының орын ауыстыруы минералды-органикалық құрамдас түрінде жүреді. Металдар байланысатын органикалық байланыстардың бір бөлігі микробиологиялың өнімдері болып табылады. Сынап «азық-түлік» тобында өздігінен көбею қасиетіне ие. Топырақ қабатының микроағзалары сынапқа бейімделген популяция түрлерін беруі мүмкін, және олар металды сынапты өзінен үлкен ағзаларға уытты болып келетін заттарға айналдыра алады. Кейбір балдырлар, саңырауқұлақтар мен бактериялар сынапты өз жасушасында көбейту қасиетіне ие.

Сынап, кадмий, қорғасын металдары, БҰҰ-на кіретін мемлекеттер бекіткен, қоршаған ортаға ең зиянды заттардың қатарында.

Табиғатта таза су кездеспейді. Ащы судың 1 литрінде 1 граммға жуық тұз болады. Теңіз суында бұл көрсеткіш едәуір жоғары. Суда бұл заттар қатты түрде, коллоидты зат, химиялық және биологиялық қоспалар түрінде көп мөлшерде кездеседі. Су көптеген заттарды еріткендіктен, ол өзінің құрамында газдарды, тұздар және ауыр металдардың иондарын, ерітпелі органикалық емес және биологиялық сипаттағы химиялық байланыстарды, көміртегі диоксидін және тағы басқаларын сақтайды. Судың құрамына қарай, ондағы рН – тың мағынасы 5,5-9,0 аралығында өзгереді.

Қазақстан Республикасында күнделікті тіршілікте, шаруашылықта қолданылатын суда мүмкін болатын белгілі мөлшерде рұқсат етіледі(мг/л):

Темір ........ 0,5

Кобальт ... 1,0

Никель ..... 0,1

Мыс ......... 1,0

Ерітінділерді ауыр металдардан тазарту әдістері

Суды қоспалардан тазарту үшін әр түрлі әдістер қолданылады. Әдісті таңдау суды ластаушы қоспаның түрі мен оның концентрациясына байланысты болады.

Барлық әдістермен тазартудың ең бірінші кезеңі болып механикалық тазарту болып табылады, яғни көзге көрінетін қалдықтарды жою. Химиялық заттардан тазартудың келесі кезеңі әр түрлі әдістермен жүзеге асады – физика-химиялық, химиялық (реагентті тазарту), электрохимиялық, биологиялық.

Көп жағдайларда осы жоғарыда айтылған әдістерді біріктіріп қолдануға тура келеді.

Физика-химиялық тазарту әдістерін ерітінділерден суспендалған және эмульданған қоспаларды және де ерітіндідегі органикалық және органикалық емес заттарды жою үшін қолданады. Бұл әдістерге коагуляция, адсорбция, ион алмасу, зат алмасу, экстракция, кері осмос, ультрафильтрация, кристаллизация және т.б. жатады.

Көмір фильтрлері

Сорбциялық фильтрлар – бұл ең алдымен көмір фильтрлері деп айту артық болмайды. Белсендірілген көмір – ең кеңінен қолданылатын сорбент болып табылады және де жылына миллиондаған тоннамен өндіріледі. Ол әр тектес химиялық қоспаларды жоюға мүмкіндігі бар. Белсендірілген көмірді алу үшін табиғи және жасанды органикалық заттар қызмет етеді. Табиғи ол - ағаш, ауыр мұнай фракциялары, қоңыр және тас көмірлері. Жасанды ол – химия өнеркәсібі өндіретін полимер материалдары.

Белсендірілген көмірді өндіру бірнеше кезеңнен тұрады:

Пиролиз (карбонизация) – шикізат ауасыз кеңістікте үлкен температурада жағылады. Осы кезеңде алынған көмір(карбонизат) нашар адсорбент болып табылады, себебі оның бос аралары өте кішкентай болғандықтан. Көмірдің үлкен тастары алдын ала бөлшектеу кезеңінен өтуге тиіс, себебі үлкен көлемдегі көмір бөлшектерін белсендіру мүмкін емес.

Белсендіру кезеңіне 4-10 мм аралығында өлшемді көмір фракциялары сәйкес келеді. Көмірді белсендіру химиялық және бу-газды екі жолмен жүзеге асуы мүмкін. Көмірді химиялық жолмен белсендіру барысында арнайы химиялық компоненттерді қолдану арқылы жүзеге асырылады. Бу-газды белсендіру көмірді қатты қыздырылған су буымен немесе оны газбен тотығу арқылы жүзеге асырылады.

Карбонизация - бұл шикізаттың оттегісіз ортада жоғары температурада ыдырауы. Мұндай жағусыз қыздыру құрамында көміртегі басым қалдықтың пайда болуына алып келеді. Осыдан кейін материалды белсендіруге ұшыратады – су буымен немеме газбен 800 ° С астам температурада өңделеді. Ал өңделген материал бөлшектері жақсы ірімшікке ұқсайды – оның барлық көлемі бойынша әр түрлі көлемді тармақталған кебектер жүйесі бар: бірнеше ангстремнен бірнеше микронға дейін. Осылайша, белсендірілген көміртек материалдары – бұл кебекті көміртек материалдар. Белсендіру процесі 1 грамм көмірге жалпы аумағы 1000-1500 шаршы метр болатын кебекті береді, сондықтан осы көрсеткіштер белсендірілген көмірді қолданудың әдеттен жоғары тиімділігін түсіндіреді.

Белсендірілген көмір қоспаларын тазалау жолдары?

Белсендірілген көмірдің тармақталған кебектер жүйесінде қоспалардың молекулаларын байланыстыратын орталықтар болады. Соған қарамастан көмірдің структурасы әр түрлі болып келгендіктен әр молекула үшін өзінің орнықты жері табылады. Мысалы фенола және хлороформа сияқты шағын молекулалар ең кішкентай кебектерде сіңеді, одан үлкен молекулалар орташа кебектерден орын алады. Үлкен макрокебектер транспорттық туннельдер ретінде қызмет етеді. Олар арқылы зиянды қоспалардың молекулалары өздерінің тұрақты орнына барады.

Белсендірілген көмірде сорбциялық процестің тиімділігі келесі жолдармен анықталады:

§ Көмірдің сорбциялық көлемі, яғни оның қоспаларды мүмкін болатын шамада жұтуы(сорбент өзіне жұта алатын ластану шамасы);

§ Қоспалардың материалдағы байланысының мықтылығы(молекуланың көмірдің кебекті ортасымен өзара қатынасы). Нақтырақ айтқанда жиналған қоспаларды суға қайтадан қайтару қабілеттілігі.

§ Қоспалардың ерітінділерден жұтылу жылдамдығы(сорбцияның жылдамдығы)

Сорбциялық жүйелердің кемшілігі ретінде, ең алдымен, белсендірілген көмірдің жылдам ластануын айтуға болады. Себебі сорбенттің ресурсы оның бетіне «қоқыс» жабыса алатын аумақпен шектелген. Сорбенттің барлық аумағына зиянды заттар жабысқаннан кейін, оны ары қарай қолдану пайдасыз болып қалады.

Тағы да бір кемшілігі, көмір микроорганизмдер дамуы үшін қолайлы орта болып табылады. Жылы әрі дымқыл жерде белсендірілген көмірде бактериялар, зең мен мүк-қыналар өте жылдам қарқында көбейіп, аз уақытта көмір қара өңезге айналады. Сондықтан, сорбциялық фильтрларды қолданғанда, оның картриджын өзінің қолдануға жарамды уақытынан тыс қолдануға болмайтынын ескеріп, оны деп кезінде ауыстырып тұрған жөн. Картриджды ауыстыруға қаражат аямаған дұрыс, себебі фильтр жаксы зат, бірақ картридждың қолданыс уақыты біткендіктен, ол - керексіз зат. Фильтрларда бактериялардың көбеюін алдын алу үшін сорбентке бактерицидтық қоспаларды қосады.