Омский государственный университет

Химический факультет

Кафедра неорганической химии

Дополнительная обучающая программа

«Прикладная экология»

Методические материалы и рабочая программа по курсу

ГЕОХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

для студентов химического факультета

Омск- 2005

Учебная программа «Геохимия окружающей среды» составлена в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по специальности 013400 – Природопользование и специальности – 013600 – Геоэкология.

Аннотация В водной части рассматриваются цель курса, задачи, методология геохимии, значение геохимических исследований для народного хозяйства, здравоохранения, охраны окружающей среды.

Рассматриваются химический состав биогенной и абиогенной составляющих биосферы, процессы протекающие в биосферы, виды миграции химических элементов, методы изучения геохимии ландшафта, поведение загрязняющих веществ в окружающей среде и последствия загрязнения природы, мониторинг окружающей среды.

Ключевые слова: геохимия, биогеохимические циклы, распределение элементов в биосфере, миграция элементов, ландшафт, типоморфные элементы, геохимические исследования, мониторинг, химическое загрязнение окружающей среды.

Краткое содержание Геохимия – наука, изучающая химический состав Земли, распространенность в ней химических элементов и их стабильных изотопов, закономерности распределения химических элементов в различных геосферах, законы поведения, сочетания, и миграции (концентрирования и рассеяния) элементов в природных процессах. Понимание закономерностей протекания природных геохимических процессов дает базовую информацию, необходимую для понимания химических процессов, протекающих в окружающей природной среде при ее загрязнении химическими веществами и разработки мер для предотвращения последствий вмешательства человека в природу.

Цель преподавания курса «Геохимия окружающей среды» ознакомление студентов с теоретическими основами общей геохимии и геохимии ландшафта, геохимическими методами решения теоретических и прикладных задач геохимии.

Главная задача курса – ознакомить будущих специалистов химиков с основами геохимического изучения ландшафта, научить практическому использованию геохимических данных при решении проблем, связанных с загрязнением окружающей среды, геохимическим мониторингом, здравоохранением, сельским хозяйством.

Содержание курса излагается в следующей логической последовательности.

Излагается химический состав компонентов окружающей природной среды:

литосферы, атмосферы, континентальной и морской воды, почвы и рассматриваются процессы протекающие в природной среде как эндогенные так и экзогенные. Рассматриваются биогеохимические циклы, определяющие круговорот веществ в природе, процессы миграции, приводящие к концентрированию и рассеянию химических элементов. Проводится классификация, описание наиболее существенных загрязнителей еды и рассматривается химическое поведение загрязнителей и их воздействие на природную среду.

Методические указания содержат:

1.рабочую программу;

2.списки основной и дополнительной литературы;

3. контрольные вопросы;

4.темы рефератов;

5.расчетные задачи и примеры их выполнения.

6.вопросы к экзамену.

Методическое издание обсуждено на заседании кафедры неорганической химии Зав.кафедрой НХ,профессор _Борбат В.Ф.

«»2005 г.

Методическое издание одобрено методической комиссией Химического факультета Председатель УМК Плакатина О.С.

«»_2005 г.

Рабочая программа курса

ГЕОХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

1. Геохимия – фундаментальная наука о Земле. Методология геохимии.

Связь геохимии с другими науками. Геосферы Земли. Химический состав литосферы. Кларки. Основные и рассеянные химические элементы литосферы. Формы нахождения химических элементов в литосфере. Минералы. Особенности распределения основных и рассеянных элементов. Кларки концентраций, геохимические аномалии, геохимические провинции. Геохимическая классификация элементов.

………………………………………………………….……………………..2 часа поверхностные воды, подземные воды, связанная вода, поровые воды.

Химический состав морей и океанов, континентальных вод. Ионный потенциал как показатель растворимости химического элемента в воде.

Процессы, протекающие в воде рек, дельтах, в воде морей и океанов.

Геохимическая классификация вод в зависимости от значений рН, Eh.

Круговорот воды в природе…………………………………………...…..2 часа 3. Атмосфера. Строение атмосферы. Химический состав атмосферы.

Постоянные и переменные вещества в атмосфере. Растворенные газы, газы в земной коре. Аэрозоли, природные и антропогенные источники образования аэрозолей, процессы протекающие в атмосфере. Смог лондонского типа и фотосмог..………………………………………………….…………………...……….2 часа 4. Живое вещество. Биосфера. Закон биологического круговорота.

Химический состав живого вещества. Химический состав золы. Участие металлов в процессах жизнедеятельности организмов. Коэффициент биологического поглощения.

Почвы. Химический состав почв. Механизм образования почвы.

Деятельность микроорганизмов в почве. Гумус и его химический состав.

Минеральная часть почвы. Формы нахождения металлов в почве. Типы почв.

Профиль почв: элювиальный слой, иллювиальный слой, материнская порода. Процессы, происходящие в почве. Понятие и биогеохимическом круговороте…………………………………………………………. ………2 часа Минералообразование при магматических процессах. Пегматитовые минералы, гидротермальные минералы. Экзогенные процессы. Образование осадочных пород, коры выветривания при гипергенезе. Зональность коры выветривания. Водоносные пласты. Метаморфические процессы.

циклы…………………………………………………………………………2 часа 6. Миграция химических элементов. Факторы миграции: внутренние и внешние. Виды миграции: механическая, физико-химическая, биогенная, техногенная. Механическая миграция. Денудация и ее характеристики.

Физико-химическая миграция. Пути миграции. Окислительновосстановительные условия миграции. Кислотно- щелочные условия миграции. Типоморфные элементы. Коллоидная миграция. Ионный обмен.

Характеристики интенсивности водной миграции. Ионный сток. Ряды миграции химических элементов. Кислотно-щелочные, окислительновосстановительные, сорбционные, механические барьеры миграции.

Биогенная миграция. Показатели биогенной миграции. Дефицитные и избыточные элементы. Биогенное минералообразование. Биогенная аккумуляция химических элементов. Биологическая роль химических элементов. Интенсивность биологического поглощения химических элементов, коэффициент биологического поглощения. Барьерное и безбарьерное поглощенияе.

Техногенная миграция. Техногенез. Технофильность элементов.

Техногенные потоки вещества в биогеоценозе. Виды техногенной миграции.

Техногенные почвы, илы, коры выветривания, эвтофикация водоемов.

……………………………………………..…………………………………4 часа 7. Геохимические ландшафты. Элементарный ландшафт. Автономные ландшафты, сопряженные ландшафты. Геохимическое сопряжение.

Структура ландшафтов. Основные типы ландшафтов и их геохимические формулы. Геохимия природных, антропогенных и техногенных ландшафтов.

Биогеоценоз. Картирование ландшафтов как метод геохимического среды……………………………….……………………………………...…2 часа 8. Мониторинг окружающей среды. Основные задачи мониторинга.

Глобальный, региональный, импактный мониторинг. Организация базового мониторинга. Химические и физико-химические методы в мониторинге окружающей среды. Биомониторинг. Биоиндикация, биоиндикаторы.

Почвенный мониторинг, определение показателей: потеря гумуса, кислотноосновные свойства, засоление почвы, осолонцевание почвы, угнетение почвенной биоты, определение подвижных форм металлов в почве, фитотоксичность, загрязнение нефтепродуктами и тяжелыми металлами…………………………………………………………………..2 часа 9. Биологическая роль химических элементов. Деление химических элементов на витафилы, витафобы, толеранты. Влияние химических элементов на живые организмы, проявление токсического действия на живые организмы. Норма порогового содержания. Оценка токсичности химических элементов. Понятие о фитотоксичности. Задачи экотоксикологи. Общие биогеоценозов.……………………………………………………………….2 часа 10. Основные виды химических загрязняющих веществ. Соединения серы, азота, фосфора. Формы нахождения в природе, формы нахождения в основных выбросах. Химические реакции в природнойсреде и превращения соединений серы азота,фосфора. Галогены. Природные и техногенные источние поступления галогенов в окружающую среду и их превращения.

Озон. Причины возникновения озоновых дыр. Фреоны- одно из веществ, вызывающих появление озоновых дыр. Оксиды углерода и углеводороды.

Селен. Пути уменьшения содержания селена в почве. Радиационные отходы.

Тяжелые металлы. Ароматические соединения. Нефть, нефтепродукты, их Детергенты и пестициды. Влияние химических загрязняющих веществ на загрязнения окружающей среды. Задачи по защите окружающей природной среды от загрязнения химическими веществами. Состояние окружающей среды г.Омска …………………………………………….……………….4 часа геохимического исследования ландшафтов. Геохимическое районирование и картирование. Виды геохимических карт: гидрогеохимические, биогеохимические, ландшафтно-геохимические и т.д.

обитания регионов. Выявление источников загрязнения, их классификация по типам нарушения и загрязнения атмосферы, гидросферы, литосферы.

окружающей среды и эффективности мер по защите окружающей среды…………………………………………………………………………2 часа.

1.Сауков А.А. Геохимия.- М.: Высш. Шк. – 1975.- 250с.

2.Добровольский В.В. Основы биогеохимии.- М.: Академия.- 2003.-357 с.

3.Алексеенко В.А. Экологическая геохимия.- М.: Логос.- 2000.-627 с.

4.Перельман А.И. Геохимия.- М.: Высш.шк.-1989.-528 с.

5. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. – М.: Астерея –2000.с.

6. Петров К.М. Общая экология. – СПб.: 1998.- 352 с.

1.Вернадский В.Н. Очерки геохимии // Избр.соч.: В 5 т.-М.:Изд-во АН СССР,1954,-Т.1-С.7- 2.Корж В.Д. Геохимия элементного состава гидросферы.-М.: Недра, 1991.с.

3.Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов.- М.:

Высш. шк., 1988.-328 с.

4.Лейн А.Ю., Иванов М.В. Глобальные биогеохимические циклы элементов и влияние на них деятельности человека. // Геохимия.-1988.-№ 2.-С.280-291.

5.Добровольский В.В. Глобальные циклы миграции тяжелых металлов. - М.:

Наука, 1991.- С.86-96.

6.Краткий справочник по геохимии.- М. Высшая школа,-1977.-346 с.

7.Алексеенко В.А. Геохимия ландшафта и окружающая среда.М.:Наука,1990.-140 с.

8.Беус А.А. Геохимия литосферы.- М.: Высшая школа,- 1981.-214 с.

Тема 1.

1.Каковы принципиальные различия главных и рассеянных элементов в 2.Перечислите распространенные формы нахождения элементов в 3.Дайте определения геохимических параметров «кларк» и «кларк 4.Дайте определения понятий «геохимический фон», «геохимическая провинция», «геохимическая аномалия».

Тема 2.

биогеохимической деятельности на протяжении геологической истории.

2. Какие биогеохимические факторы влияют на состав речных вод.

3. Перечислите главные формы нахождения химических элементов в речных водах.

4. Каково соотношение масс элементов, находящихся в растворимой форме и в составе взвесей в речных водах.

Тема 3.

1.Каково происхождение первичной газовой оболочки Земли и какой химический состав она могла иметь.

2. Каковы геохимические факторы, влияющие на «парниковый эффект».

3. Охарактеризуйте глобальные газовые функции микроорганизмов.

4. В какой форме находится большая часть органического углерода, фиксированного в фотосинтезе за всю геологическую историю.

Тема 4.

1. Какие существуют виды расчета химического состава живых организмов. Укажите преимущества и недостатки каждого вида.

2. Дайте определение понятию «микроэлементы», рассмотрите их биологическое значение.

месторождений руд.

4. Какую роль выполняет гумус по отношению к рассеянным металлам.

Тема 5.

1.Каковы источники поступления масс химических элементов, вовлекаемые в глобальные циклы в биосфере.

2. Из каких веществ состоят осадочные породы суши, рек, морей и океанов.

3. Какова сущность гипергенной трансформации силикатов.

4. Назовите главные закономерности перераспределения тяжелых металлов в результате геохимической трансформации минерального вещества при гипергенезе.

Тема 6.

1.Как группируются химические элементы по значениям коэффициента водной миграции.

2. В чем проявляется влияние физико-химических параметров окружающей среды на миграцию химических элементов.

3. В каких формах мигрируют тяжелые металлы в воде, атмосфере, почве.

4. Как можно используются геохимические барьеры миграции для защиты окружающей среды от загрязнения.

5.Какие зольные элементы наиболее эффективно вовлекаются в биологический круговорот и какие являются наиболее инертными.

6. Какова классификация элементов по интенсивности вовлечения в биологическую миграцию.

7. Приведите примеры биогеохимического эндемизма.

8. Назовите пути распространения загрязняющих тяжелых металлов в окружающей природной среде.

Тема 7.

1.Что такое элементарная биогеосистема и геохимическое сопряжение.

2.Что означает термин « типоморфные элементы».

3.Что отражает геохимическая формула ландшафта.

5. Факторы, влияющие на геохимическую неоднородность поверхности Тема 8.

1. Задачи мониторинга окружающей природной среды.

2. Организация фонового мониторинга.

3. Требования к методам экологического мониторинга.

4. Биологические методы в мониторинге окружающей природной среды.

Тема 9.

1. Что такое биогеохимическая аномалия.

2. Характеристика элементов биофилов и биофобов.

3. Методы экотоксиклолгии.

4. Основные экотоксиканты.

Тема 10.

1. Рассмотрите деформацию глобальных, региональных и локальных геохимических циклов в результате человеческой деятельности.

2. Какие глобальные проблемы возникают в результате включения в природный цикл углерода масс углекислого газа индустриального происхождения.

3.Каковы последствия техногенной эмиссии двуокиси серы. Какие территории подвержены воздействию кислотных дождей.

3.Рассмотрите деформацию биогеохимических циклов массообмена под воздействием сельскохозяйственного производства, например, циклов азота, фосфора, калия.

4.Дайте оценку импактного загрязнения на примере образования техногенных аномалий тяжелых металлов.

5. Раскройте понятие «урбогенез». Каковы специфические биогеохимические проявления урбогенеза.

Тема 11.

1. Что означает понятие «биогеоценоз».

2. Назовите области использования результатов геохимических исследований.

3. Что такое геохимическое районирование.

4. Назначение геохимического картирования. Виды и масштабы карт.

1.Биогеохимические провинции и биопатогенные зоны, их специфика.

2.Экологическая угроза загрязнения р. Иртыш.

3.Озонный слой и факторы, влияющие на его устойчивость.

5. Проблемы охраны окружающей среды при нефтедобыче.

6. Биогеохимическая миграция химических элементов с участием растений.

7. Техногенные ландшафты. Геохимическое изучение техногенных ландшафтов.

8. Роль геохимического мониторинга в охране окружающей среды.

9. Сельское хозяйство – источник загрязнения окружающей природной среды.

10. Геохимические методы поиска полезных ископаемых.

11. Роль геохимических исследований для здравоохранения.

12. Анализ атмосферного воздуха. Отбор проб, концентрирование загрязняющего вещества, основные методы анализа, пределы обнаружения.

13. Анализ природных вод. Отбор проб, концентрирование загрязняющего вещества, основные методы анализа, пределы обнаружения.

14. Анализ почв. Отбор проб, извлечение загрязняющего вещества, основные методы анализа, пределы обнаружения.

15. Источники загрязнения подземных вод.

16. Нефтехимический комплекс г.Омска – источник загрязнения атмосферы.

17. Загрязнение окружающей среды при транспортировке и хранении нефти и нефтепродуктов.

18. Автомобильный транспорт- источник загрязнения атмосферы.

19. Глобальный цикл углерода, распределение углерода в биосфере.

20. Глобальный цикл серы, распределение серы в биосфере.

21. Глобальный цикл азота, распределение азота в биосфере.

22. Циклы элементов, поступивших в биосферу из земной коры: кальция, калия, фосфора, кремния.

23. Циклы массообмена тяжелых металлов, их распределение в биосфере.

24. Поведение в природной среде галогенов и их соединений, миграция галогенидов.

24. Значение почвы как регулятора биогеохимических циклов тяжелых металлов.

По разделу «Техногенная миграция химических элементов»

выполняются индивидуальные расчетные задания как часть итоговой курсовой работы.

Расчетные задачи Рассчитать массу выбросов промышленного предприятия в атмосферу, сбросов в водоемы, твердых отходов, размещаемых на полигонах. Для этого необходимо проанализировать производственную деятельность предприятия, рассмотреть используемые на предприятии технологические схемы, методы обезвреживания отходов, эффективность работы очистных сооружений.

В качестве примера приведен расчет массы отходов гальванического участка машиностроительного предприятия.

Пример.

Рассчитать массу отходов от механической линии серебрения деталей.

Данные для расчета:

Годовой фонд времени –2015 час.

Годовая производственная программа-10000 м2.

Норма уноса электролита с покрытием- 0,3 л/м Метод обезвреживания стоков:

Используется метод нейтрализации стоков раствором Ca(OH)2.

Отработанные электролиты и промывные воды направляют в общий смеситель, предварительно CN –ионы окисляют, а ионы Cr (VI) восстанавливают до Cr (III), затем в смеситель подают гидроксид кальция, производят отстаивание образовавшихся осадков, шлам удаляется на полигон для хранения, очищенная сточная вода сбрасывается в водоем.

Рассчитать массу выбросов в атмосферу, сбросов в водоем, твердых отходов, приняв степень очистки сточных вод от тяжелых металлов – 98%.

Расчет:

В механическую линию серебрения входят:

1.Ванна электрохимического обезжиривания:

Объем ванны-1200 л Зеркало электролита –0,49 м Состав ванны (г/л): натр едкий- 10-15 ; кальцинированная сода 20-30;

трифосфат натрия-50-70.

периодичность слива – один раз в 2 месяца.

2.Промывка в теплой воде (проточная вода) объем ванны-1100 л зеркало электролита-0, способ промывки – погружение периодичность слива –1 раз в 10 дней (25 раз в год) 3.Травление меди объем ванны-1100 л Состав ванны (г/л)- серная кислота-800; азотная кислота-70;

соляная кислота-1-2; сульфат меди- 100.

Периодичность слива- один раз в 2 месяца.

4 Промывка в холодной воде.

Объем ванны-1100 л зеркало электролита-0, способ промывки – погружение периодичность слива 1 раз в 10 дней (25 раз в год).

5.Меднение цианистое Состав ванны (г/л)- медь цианистая –50-70; натр едкий – 8-15;

натрий цианистый 5-10.

Периодичность слива 1 раз в месяц.

6. Промывка в холодной воде объем ванны-1100 л зеркало электролита-0, способ промывки – погружение периодичность слива 1 раз в 10 дней (25 раз в год) 7. Серебрение объем ванны-1200 л зеркало электролита-0, состав ванны (г/л)- серебро азотнокислое-40-50;калий цианистый-50-70.

Фильтрование раз в месяц 8. Промывка в холодной воде объем ванны-1200 л зеркало электролита-0, способ промывки – погружение периодичность слива 1 раз в 10 дней (25 раз в год) 9. Промывка в теплой воде.

Объем ванны-1100 л зеркало электролита-0, способ промывки – погружение периодичность слива 1 раз в 10 дней (25 раз в год) Расчет производится по формуле:

Ма- масса выбросов в атмосферу, кг/год;

ГФ- годовой фонд времени, час ;

ЗЭ – площадь зеркала электролита, м НУ – норма уноса кг/м2 * час Норма уноса берется из справочника [Тищенко Н.Ф. Охрана атмосферного воздуха. –М. : Металлургия, 1991,с.] Например, расчет выбросов едкого натра в атмосферу из ванны 1.

Аналогично производится расчет для всех химических веществ, входящих в состав электролитических ванн.

Расчет массы тяжелых металлов, сбрасываемых в водоем 1. Определяется масса тяжелых металлов, поступивших в смеситель с концентрированными отработанными электролитами, например, масса меди, поступившая с отработанным электролитом из ванны 3.

V – объем ванны, л;

С – концентрация ионов меди, г/л;

n – число сливов в год.

После очистки медь переходит в осадок в виде гидроксида меди:

Остается в очищенной воде меди:

Аналогичные расчеты проводятся по всем тяжелым металлам, а также определяется масса кислот и щелочей, отправленных в смеситель на обезвреживание в течение года.

2.Определяется количество тяжелых металлов, попавших в смеситель с промывными водами. Расчет приведен для меди (ванн 3,4).

ГП – годовая программа, м2 ;

НУв – норма уноса электролита с деталями, л/м2 ;

С – концентрация меди, г/л. (Принимаем среднюю концентрацию за время накопления меди в ванне от 0 г/л до 40 г/л) После очистки медь переходит в осадок :

Остается в очищенной воде:

3.Общая масса меди попавшая в водоем из ванн 3,4 :

4.Общая масса меди, перешедшая в осадок:

Вследствие сложности состава электролитов, масса шлама имеет сложный состав. Для расчета принять во внимание:

1.Массу образовавшихся гидроксидов металлов.

Например, медь после осаждения гидроксидом кальция находится в форме гидроксида меди. После пересчета масса гидроксида меди составляет 8. 1332 кг (от ванн 3,4).

9. Массу нерастворимых солей кальция, например сульфата кальция, полученного при нейтрализации серной кислоты, поступившей из ванны 3.

2.1. Масса серной кислоты, поступившей с концентрированными электролитами :

2.2. Масса кислоты, поступившей с промывными водами (ванна 4):

2.3. Общая масса кислоты в смесителе:

10. Рассчитывается масса образующегося сульфата кальция по химической реакции нейтрализации.

11. Суммарное количество шлама, образовавшегося в результате сброса меди и кислоты из ванн 3 и 4:

Задание для расчетов получить у преподавателя.

1. Геохимия – фундаментальная наука о Земле. Методология геохимии. Связь геохимии с другими науками.

2. Химический состав литосферы. Неоднородность литосферы.

3. Гидросфера. Химический состав Мирового океана, поверхностных и подземных вод.

4. Геохимическая классификация вод.

5. Состав атмосферы. Природные и антропогенные источники поступления газов и аэрозолей в атмосферу.

6. Живое вещество и его химический состав. Биоконцентрирование и биоаккумуляция.

7. Почва, органическая и минеральная составляющие почвы.

Вертикальная структура почвы.

8. Эндогенные процессы и, сопровождающий их, выход веществ в литосферу, воду, атмосферу.

9. Экзогенные процессы, образование коры выветривания.

10. Миграция химических элементов и факторы, влияющие на нее.

Механическая миграция.

11. Физико-химическая миграция. Процессы, протекающие при миграции. Миграционные ряды химических элементов.

12. Биологическая миграция. Роль микроорганизмов в круговороте вещества в биосфере.

13. Техногенная миграция. Влияние загрязняющих веществ на геохимию природной среды.

14. Экотоксикология, эндемия. Влияние геохимических аномалий на здоровье человека, животных и растения.

15. Задачи экологического мониторинга, виды мониторинга, фоновый мониторинг.

16. Геохимические исследования, методология исследований, их роль для здравоохранения и охраны окружающей природной среды.

17. Геохимический ландшафт, геохимической сопряжение, геохимические формулы.

18. Круговорот элементов IV,V,VI групп и вовлечение в круговорот химических элементов этих групп, содержащихся в промышленных выбросах.

19. Круговорот галогенов, поведение галогенов и их солей в окружающей среде.

20. Миграция тяжелых металлов в окружающей природной среде, их участие в биогеохимических процессах.

21. Процессы, происходящие с нефтью и нефтепродуктами в окружающей среде, последствия загрязнения.

22. Детергенты, пестициды, фреоны, радиоактивные вещества и их отравляющее действие на биосферу.