Радиационная опасность свинца для окружающей среды

PbSO₄ + 2e^- = Pb + SO₄^2-,

т.е. этот электрод становится катодом.

На электроде из PbO₂ при зарядке идет процесс окисления:

PbSO₄ + 2H₂O = PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 2e^-,

следовательно, этот электрод является теперь анодом. Ионы в растворе движутся в направлениях, обратных тем, в которых они перемещались при работе аккумулятора. Складывая два последних уравнения, получим уравнение реакции, протекающей при зарядке аккумулятора:

2PbSO₄ + 2H₂O = Pb + PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄^2-.

Нетрудно заметить, что  этот процесс противоположен тому, который протекает при работе аккумулятора; при зарядке аккумулятора в нем вновь получаются вещества, необходимые для его работы.

Свинцовый аккумулятор  используется как автономный источник электрической энергии, главным образом применяется в транспорте.

Свинцовый аккумулятор — загрязнитель окружающей среды

Опасности для человека, окружающей среды возникают преимущественно на этапе утилизации отработавших аккумуляторов. По-прежнему много батарей после использования выбрасывается в мусоропроводы. По экспертным оценкам, на свалках, транспортных площадках и в других местах на всей территории России в настоящее время находится до 1 млн. т. свинца в отработавших свой срок аккумуляторах. При существующем положении с их переработкой эта величина возрастает на 50 – 60 тыс. т. ежегодно. На свалках или установках для компостирования аккумуляторы разлагаются, при этом в почву и подземные воды попадает большое количество свинца. При рециклинге также происходит загрязнение окружающей среды, особенно пылью, содержащей свинец. При изготовлении свинцовых аккумуляторов образуется значительное количество пылевидных частиц, содержащих соединения свинца. Таким образом, свинцовые аккумуляторы вносят немалый вклад в загрязнение окружающей среды.

Помимо свинцового широко применяются и многие другие виды аккумуляторов. В среднем на каждый квадратный метр приходится по одному аккумулятору; очевиден процесс массового загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, концентрированными электролитами и другими вредными химическими соединениями.

Выбросы автотранспорта — основной источник загрязнения  окружающей среды ионами свинца

Без сомнения, наиболее важным источником загрязнения в Свердловской области является автомобильный транспорт, использующий этилированный бензин. Численность автомобильного парка Свердловской области увеличилась в 1997 году более чем на 5% и превысила 1 млн. единиц, при этом опережающими темпами растет число легковых автомашин (на 10 – 12% в год). В Екатеринбурге, Каменске-Уральском, Первоуральске, Верхней Пышме, Нижнем Тагиле, Березовском выбросы автотранспортных средств составляют 30 – 70% общего объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Автотранспорт вносит значительный вклад в загрязнение атмосферы свинцом.

Таблица 3

Выбросы некоторых загрязняющих веществ автомобильного транспорта по городам области в 1997 году (в тоннах)

Город	СО	Свинец	Город	СО	Свинец
Алапаевск	1846	0,3	Красноуральск	984,8	0,2
Асбест	5228,8	4,3	Лесной	1042,6	0,2
Верхняя Пышма	2427,4	1,8	Нижний Тагил	18084,1	16,1
Верхняя Салда	1598,6	0,2	Нижняя Тура	1202,5	0,6
Екатеринбург	66063,1	128,4	Первоуральск	6391	4,8
Ирбит	2550,7	0,3	Полевской	2264,1	2,1
Качканар	2212,6	0,6	Ревда	1880,9	1,3
Кировоград	1365,6	0,4	Серов	2680,3	1,9
Краснотурьинск	3100,6	1	Тавда	1790,3	0,9

 

Самое большое количество свинца и окиси углерода выбрасывается  автомобилями городов Екатеринбург, Нижний Тагил и Первоуральск. Наблюдается тенденция роста уровня загрязнения атмосферного воздуха свинцом в крупных городах области. На передвижные источники загрязнения приходится свыше 70% суммарных выбросов свинца. Высоким остается уровень загрязнения воздушного бассейна городов диоксидом азота, формальдегидом, оксидом углерода. В целом область значительно загрязнена свинцом. Общая площадь сильно загрязненных земель составляет более 68 тыс. га. Очевиден стабильный вклад автотранспорта в загрязнение свинцом окружающей среды городов Свердловской области. Так каким же образом свинец попадает в двигатели внутреннего сгорания и рассеивается автомобилями вдоль автомагистралей?

Получение бензинов при крекинге нефтепродуктов

Основным процессом  переработки нефти является фракционная  перегонка — термическое разделение нефти на составные части (фракции).

Таблица 4

Основные фракции нефти

Название	Состав	Температура получения	Температура кипения	Применение
Бензин	От С5Н12 до С11Н24	40 – 200 0С	Не выше 205 0С	Топливо, растворитель каучука, получение синтез-газа, химчистка
Лигроин	От С8Н18 до С14Н30	150 – 250 0С	120 – 240 0С	Топливо для дизельных двигателей
Керосин	От С12Н26 до С18Н38	180 – 240 0С	180 – 320 0С	Горючее для тракторных двигателей, пропитка кож, освещение, авиация
Газойль	От С13Н28 до С20Н42	240 – 320 0С	270 – 410 0С	Дизельное, котельное  топливо

 

В результате отгона фракций  остается мазут.

От прямой перегонки  нефти отличают ее крекинг, т.е. термическое  или каталитическое расщепление  высших углеводородов (УВ) с образованием соединений меньшей молекулярной массы. Таким способом из высококипящих фракций нефти дополнительно получают наиболее ценные низкокипящие фракции — главным образом моторные бензины, т.е. целевым продуктом крекинга является бензиновая фракция с высоким октановым числом. Процесс крекинга происходит с разрывом углеродных цепей и образованием более простых предельных и непредельных УВ, например:

C₁₆H₃₄ = C₈H₁₈ + C₈H₁₆.

Образовавшиеся вещества могут разлагаться далее:

C₈H₁₈ = C₄H₁₀ + C₄H₈; C₄H₁₀ = C₂H₆ + C₂H₄.

Различают два основных вида крекинга.

Таблица 5

Термический и каталитический крекинг

Термический крекинг	Каталитический крекинг
Расщепление молекул  УВ протекает при сравнительно высокой температуре (470 – 5500С). Процесс протекает медленно, образуются УВ с неразветвленной цепью атомов углерода.	Расщепление молекул  УВ протекает в присутствии катализаторов и при более низкой температуре (450 – 5000С) Процесс протекает значительно быстрее, при этом происходит не только расщепление молекул УВ, но и их изомеризация.
В бензине, полученном в процессе термического крекинга, наряду с предельными содержится много непредельных УВ. Поэтому этот бензин обладает большей детонационной стойкостью, чем бензин прямой гонки.	Бензин каталитического  крекинга обладает еще большей детонационной стойкостью, так как в нем содержатся УВ с разветвленной цепью углеродных атомов.
Непредельные УВ, содержащиеся в бензине, легко окисляются и  полимеризуются. Поэтому этот бензин менее устойчив при хранении. При его сгорании могут засориться различные части двигателя. Для устранения этого вредного действия к такому бензину добавляют антиокислители.	Содержание непредельных УВ меньше, поэтому процессы окисления и полимеризации не протекают. Такой бензин более устойчив при хранении.

 

Состав бензина

Бензин, полученный в результате перегонки нефти, состоит в основном из УВ (предельных 25 – 61%, непредельных 13 – 45%, нафтеновых 9 – 71%, ароматических 4 – 16%). При полном его сгорании образуются углекислый газ, вода, и выделяется тепло. Для одного из компонентов бензинов — октана — эта реакция выглядит следующим образом:

C₈H₁₈ + 12,5O₂ + 47N₂ = 8CO₂ + 9H₂O + 47N₂ + 5062 kДж/моль.

В состав бензина могут входить примеси: серо-азот и кислородсодержащие соединения. Большая часть этих соединений удаляется из бензина при его очистке.

Октановое число

Автомобильный бензин представляет собой горючее с низкими детонационными характеристиками. Детонацией называют такой характер горения, при котором воспламенение горючей смеси происходит в нескольких точках цилиндра или по всему объему сразу. При этом возникают очень высокие пики давления, и двигатель может быть поврежден. Детонационные характеристики количественно определяются так называемым октановым числом, которое считается равным нулю для н-гептана, весьма подверженного детонации, и равным 100 для изооктана (2,2,4-3 метилпентан) — углеводорода, стойкого к детонации. Если конкретное топливо и смесь н-гептана с изооктаном имеют одинаковые детонационные свойства, то содержание последнего (в процентах к общему объему) определяет октановое число рассматриваемого топлива. Например, бензин с октановым числом 76 детонирует так же, как смесь, состоящая из 24% н-гептана и 76% изооктана. Чем выше октановое число, тем лучше эксплуатационные качества бензина. Октановое число в основном увеличивают с помощью тетраэтилсвинца (ТЭС). Механизм антидетонационного действия алкилов свинца до конца не установлен. Очевидно, тетраэтилсвинец поступает в цилиндр в виде паров вместе с топливной смесью и вследствие возрастания температуры распадается с образованием частиц твердого оксида свинца. Эти частицы блокируют активные атомы кислорода, которые инициируют реакцию, приводящую к взрыву. Дибром- и дихлорэтаны действуют как раскислители и, вступая во взаимодействие с оксидом свинца, образуют летучий хлорбромид свинца, выносящийся из цилиндров отработавшими газами.

Недостатки применения ТЭС — негативное действие на всю  биосферу, более быстрый износ  двигателя и невозможность применения каталитической системы очистки отработавших газов вследствие ее отравления антидетонатором. Вот почему, несмотря на все достоинства ТЭС, применение его нежелательно, как нежелательно и применение самого бензина, потому что выхлопные газы, образующиеся в результате сгорания топлива, оказывают негативное влияние на всю биосферу Земли.

Воздействие отработавших газов автомобиля на живые организмы сводится к следующему:

• Максимальные энергетические показатели двигателя достигаются в условиях избытка топлива. Однако при этом из-за недостатка кислорода часть УВ бензина не окисляется до конца, что приводит к образованию элементного углерода (сажи) и оксида углерода (II), оказывающего вредное воздействие на здоровье человека даже при низких концентрациях вследствие более активного по сравнению с кислородом взаимодействия с гемоглобином крови.
• УВ, попадающие в атмосферу вследствие испарения, а также продукты неполного сгорания топлива, взаимодействуя с оксидом азота, образуют токсичные продукты в составе смога — вредного для людей тумана, образование которого характерно для крупных городов.
• Оксид азота (II), являющийся одним из компонентов выхлопных газов, — сильный яд;
• Оксид серы (II) нарушает процессы дыхания и способствует повышению кислотности атмосферных осадков.
• Альдегиды оказывают наркотическое действие на ЦНС.
• Среди ароматических УВ наиболее опасны полициклические производные, обладающие канцерогенными свойствами, особенно 3,4-бенз(а)пирен.
• Попадание галогенидов в атмосферу весьма опасно вследствие возможного накопления свинца в крови и тканях человека и животных, в плодах растений, листьях деревьев, почти во всех живых организмах.

Влияние ионов  свинца на живую природу

Влияние на организм человека, общий характер действия, токсическое действие свинца

В природе свинец встречается  повсеместно, но жизненно необходимым  он не является. За последние десятилетия уровень концентрации в природе все более повышается вследствие антропогенных нагрузок. Главным источником, из которого свинец попадает в организм человека, служит пища; наряду с этим важную роль играет вдыхаемый воздух, а у детей также заглатываемая ими свинецсодержащая пыль. Вдыхаемая пыль примерно на 30 – 50% задерживается в легких, значительная ее доля всасывается током крови. Всасывание в желудочно-кишечном тракте составляет в целом 5 – 10%, у детей — 50%. Дефицит кальция и витамина Д усиливает всасывание свинца в желудочно-кишечном тракте. В среднем за сутки организм человека поглощает 26 – 42 мкг свинца. Это соотношение может варьировать. Около 90% общего количества свинца в человеческом теле находится в костях, у детей — 60 – 70%. Биологический период полураспада в костях — около 10 лет. Количество свинца, накопленного в костях, с возрастом увеличивается и в 30 – 40 лет (фаза насыщения) у лиц, по роду занятий не связанных с загрязнением свинца, составляет 80 – 200 мг. Особую опасность представляет свинец для женщин, так как этот элемент обладает способностью проникать через плаценту и накапливаться в грудном молоке.