Тяжелая вода, бассейны у АЭС – чем опасны для окружающей среды?
Любая жизнь на нашей планете неразрывно связана с водой, которая до середины 19 века считалась простым элементом, и только позже оказалось, что вода – это химическое соединение. Человечество регулярно потребляет миллиарды литров. С потреблением некачественной воды медики связывают более 50% всех заболеваний. В прозрачной на вид жидкости содержатся десятки химических и органических веществ. Одни из них обязательны для нашего здоровья, а другие приводят к проблемам со здоровьем.
Присутствие ряда примесей можно определить с помощью органолептических показателей: запаха, вкуса и внешнего вида, но такие опасные примеси, как нитраты, тяжелые металлы и радиоактивные элементы невозможно почувствовать. Они постепенно накапливаются в организме, но выявить их присутствие могут только специальные анализы и исследования.
Ряд вредных для живого мира соединений присутствует в окружающей среде в мизерных количествах и не могут навредить. К сожалению, некоторые из них нашли применение в промышленной отрасли, поэтому их научились синтезировать искусственно. Например, тяжелая вода, которая нашла применение в ядерной энергетике, отрасли, которая относится к самым опасным.
Что такое тяжелая вода и сколько она весит?
По химической формуле тяжелая вода не отличается от обычной, но вместо двух простых атомов водорода, в ее состав входят атомы дейтерия – его тяжелого изотопа. Всего подобных комбинаций воды насчитывается около 50, а теоретически – больше 100. Тяжелую воду обозначают D2O или 2H2O. Ее органолептические показатели ничем не отличаются от простой воды.
Существование дейтерия прогнозировал известный ученый Э. Резерфорд. Впервые молекулы тяжеловодородной воды заметил и описал в начале 1930-х американец Гарольд Юри. Исследователь нашел их в осадке, образовавшемся после выпаривания простой воды. За свое открытие химик получил Нобелевскую премию.
Ключевая особенность тяжелой воды в том, что она практически не поглощает нейтроны. Это качество позволило использовать ее для торможения нейтронов в ядерных реакторах и в качестве теплоносителя. Также ее применяют как изотопный индикатор в биологии и химии
В лабораторных условиях ее синтезировал в 1933 году Гильберт Льюис с помощью электролиза. В природе соотношение между молекулами обычной и тяжелой водой в природных условиях 1/5500. Некоторое количество дейтерия находится в составе полутяжелой воды HDO – в ней только один атом водорода заменяется дейтерием.
После определения полезных качеств тяжелой воды началось ее промышленное производство. Первое предприятие этого направления «Норск-Гидро» заработало в Норвегии в 1934году. Суть производства сводилась к расщеплению легкой воды с помощью электролиза. С тяжелой водой связаны несколько эпизодов Второй мировой войны. С подачи ядерщика Ф. Жолио-Кюри Франция закупила весь мировой запас в объеме еще до боевых действий. Во время оккупации Норвегии в Германию было ввезено 500 кг тяжелой воды. Чтобы предотвратить создание ядерной бомбы диверсионная бригада подорвала завод, который был впоследствии восстановлен немцами.
Как тяжелая вода влияет на живые организмы
Вместе с производством и применением в ядерной энергетике начались исследования воздействия больших количеств тяжелой воды на живые организмы. Она играет значительную роль в протекании биологических процессов. В реальных условиях концентрации тяжелой воды сверхнизкие и вероятность потребления отравляющего количества невозможна.
Тяжелая вода имеет токсичный статус. После экспериментов над животными ученые получили следующие результаты:
- Замедление протекания химических реакций;
- Стерильность лабораторных млекопитающих (иногда необратимая) при замене четверти атомов водорода дейтерием;
- 30% содержание дейтерия приводило к изменениям в обменных процессах, разрушению почек;
- Гибель после недельного потребления тяжелой воды вместо обычной;
- Растения прекращали расти при поливе водой с пропорцией 50/50;
- Рыбы погибали после накопления 90% дейтерия в организме;
- Простейшие и водоросли выживают в тяжелой воде.
Снижение концентрации дейтерия в питьевой воде дало отличные результаты – увеличивалась численность и качество потомства, пшеница созрела раньше с повышенной урожайностью. Эти результаты стали основой теории, что исключение дейтерия станет путем к существенному продлению жизни
Независимые исследования однозначно доказали, что тяжелая вода отрицательно влияет на флору и фауну, хотя клетки бактерий, водорослей, грибов и растений успешно адаптируются к жизни с тяжелой водой. Время привыкания зависит от вида живого организма. Рекордсменами считаются чайный гриб 1 сутки и хлорелла – 6 суток. Наблюдается прямая зависимость, чем сложнее объект, тем дольше идет процесс адаптации к тяжелой воде, ее можно считать прототипом мертвой воды из сказок.
Как человек реагирует на потребление тяжелой воды
В нашем теле содержится около 75% воды. Если исходить из данных, что 1000 л воды содержится 150 мл тяжелой, то получается, что за свою жизнь человек выпивает максимум 15 л воды дейтериевой воды. Содержание дейтерия в природных условиях зависит от климатических особенностей зоны. Например, глобальное потепление увеличивает концентрации изотопа. Из-за разности температур испарения в жарких странах тяжелой воды больше, чем в умеренных и холодных широтах.
Каждый живой организм – это набор сбалансированных химических реакций. Он способен самостоятельно противостоять заболеваниям, обновлять клетки и регулировать метаболизм. Как только наступает сбой, появляются проблемы со здоровьем. Тяжелая вода замедляет биохимические процессы, что несовместимо с жизнью большинства растений и животных. Последствия определяются исходным содержанием дейтерия в организме, периодом и количеством употребления дейтериевой воды. Среди стабильных изотопов, он имеет наиболее выраженное влияние на все живое. Его атомы идентичны водороду и могут его замещать в клетках, в том числе и в молекулах РНК и ДНК. В биологическом плане – это неравноценная замена.
Был период, когда отрицательное и замедляющее действие дейтерия пытались использовать для лечения опухолей. Итог эксперимента – опухоли уменьшались, но лабораторные мыши погибли. Дейтерий не может продлевать жизнь.
По количеству в человеческом организме дейтерий в атомных процентах стоит на 12 месте и относится к категории микроэлементов. Выходит превышение потребления – вред, а полное изъятие – непредсказуемые последствия
Отравление тяжелой водой
Тяжелая вода опасна только при потреблении в больших количествах и регулярно. Стоимость оборудования и производства высока, поэтому шанс попасть на разлив в повседневной жизни маловероятен. Исключение представляют территории населенных пунктов вокруг атомных электростанций, где она используется. Проходя по трубам, вода вбирает остаточные следы радиоактивных веществ, и становится ядовитой.
Более опасным изотопом считается тритий. Исследования показали, что, несмотря на меры безопасности, он медленно, но уверенно распространяется вокруг АЭС, отравляя водоемы и колодцы. По идее, тяжелая вода должна циркулировать только в пределах закрытого контура, но в охлаждающих бассейнах для ускорения остывания используется разбрызгивание, при котором часть водной пыли и капель уносится за пределы порывами ветра.
Самым популярным методом очистки тяжелой воды в домашних условиях считается охлаждение с последующей фильтрацией кристалликов льда. Дейтериевая вода замерзает при 3,8 градусах, поддерживая ее можно добиться кристаллизации дейтериевой воды с последующим отцеживанием. К сожалению, проверить результативность подручными средствами невозможно, а для реальной очистки тяжелой воды используется изотопный обмен, электролиз, ректификация, вакуумная заморозка – методы, которые доступны только в специализированных лабораториях.
Тяжелые металлы в воде: проблемы в водопользовании и очистка
Жидкость занимает больший объем в организме человека. Выполнение физиологических функций в человеческом теле, зависит от степени загрязнения воды тяжелыми металлами. Для поддержания обменных процессов в организме, требуется не менее 2 литров жидкости в день. И, на первое место в потреблении питьевых ресурсов, выходит очистка воды от тяжелых металлов.
Компания «СИГНАЛ-ПАК» предлагает качесвенные дозаторы для пищевой промышленности https://www.signal-pack.com/oborudovanie/dozatory-dlya-pishevoy-promishlennosti/, у которых отсутствуют какие-либо вредные вещества в составе.
Определение содержания тяжелых металлов в воде
Понятие «тяжелый металл» относится к сфере охраны природы и здравоохранения. В эту группу относят полуметаллы и металлы, имеющие токсичные свойства и поражающую биологическую активность. Немало металлов входит в перечень необходимого микроэлементного уровня для нормального протекания биологических процессов и функционирования систем живого организма.
Токсичные химические элементы, попадая в организм человека с водой, имеют свойство аккумулироваться. Но, большую опасность представляет их способность к биомагнификации. Когда по пищевой цепочке: загрязненная вода – растения или почва – рыба или животное – человек, тяжелые металлы увеличивают свое вредоносное действие в сотни раз. Понимание, к чему приводит загрязнение воды тяжелыми металлами, подвигло человечество на внимательное отношение к природным ресурсам.
ГОСТ по питьевой воде на содержание тяжелых металлов
Таблица 1. ПДК тяжелых металлов в воде
| Показатели | СанПиН 2.1.4.1074-01 | ВОЗ | ЕС | |||
| Ед. изм. | ПДК | Показ. вред. | Класс опасн. | |||
| Алюминий (Al3+) | мг/л | 0,5 | с.-т | 2 | 0,2 | 0,2 |
| Барий (Ва2+) | мг/л | 0,1 | с.-т | 2 | 0,7 | 0,1 |
| Ванадий (V) | мг/л | 0,1 | с.-т | 3 | 0,1 | – |
| Железо (Fe, суммарно) | мг/л | 0,3(1,0) | орг. | 3 | 0,3 | 0,2 |
| Кадмий (Cd, суммарно) | мг/л | 0,001 | с.-т | 2 | 0,003 | 0,005 |
| Кобальт (Со) | мг/л | 0,1 | с.-т | 2 | – | – |
| Медь (Сu, суммарно) | мг/л | 1 | орг. | 3 | 2,0(1,0) | 2,0 |
| Мышьяк (As, суммарно) | мг/л | 0,05 | с.-т | 2 | 0,01 | 0,01 |
| Ртуть (Hg, суммарно) | мг/л | 0,0005 | с.-т | 1 | 0,001 | 0,001 |
| Свинец (Pb, суммарно) | мг/л | 0,03 | с.-т | 2 | 0,01 | 0,01 |
| Селен (Se, суммарно) | мг/л | 0,01 | с.-т | 2 | 0,01 | 0,01 |
| Серебро (Ag+) | мг/л | 0,05 | – | 2 | – | 0,1 |
| Хром (Cr3+) | мг/л | 0,5 | с.-т | 3 | – | – |
| Хром (Cr6+) | мг/л | 0,05 | с.-т | 3 | 0,05 | 0,05 |
| Цианиды (CN-) | мг/л | 0,035 | с.-т | 2 | 0,07 | 0,05 |
| Цинк (Zn2+) | мг/л | 5 | орг. | 3 | 3,0 | 5,0 |
Примечания:
с.-т – санитарно-токсикологический показатель;
орг. – органолептический показатель;
значения в скобках, могут приниматься в отдельных районах по указанию санитарного врача.
Как видно из таблицы, многие химические элементы находятся в виде различных лиганд, гидролизных или полимеризованных комплексов. Кроме прямого удаления загрязнений, немалое значение придается очистке воды от ионов тяжелых металлов и их соединений. Если присутствует значительное количество ионов тяжелых металлов в воде, увеличивается токсичность элемента из-за проявления кумулятивного эффекта.
Насыщенность токсичными химическими элементами питьевых ресурсов оценивается не только по их общему содержанию, но и по связанным и свободным формам, учитываются и соли тяжелых металлов в воде.
Распознавание нежелательных примесей сложной формы, проводят спектрометрическим или электрохимическим способом. Важное место в точном определении концентрации тяжелых металлов в воде занимает атомно-абсорбционная спектрометрия. Она подразделяется:
- на FAAS – плазменная атомизация;
- на GF AAS – электротермическая атомизация в графитовой ванночке.
Для выделения спектров нескольких металлов одновременно применяют эмиссионную или масс-спектрометрию, с плазмой связанной индукцией. Электрохимический способ распознавания основан на анализе вольт-амперных характеристик. Это сложные лабораторные методы определения уровня загрязнения воды тяжелыми металлами, на фото показаны:
Методы очистки воды от тяжелых металлов
В зависимости от результатов проведенного анализа воды на тяжелые металлы, выбирается метод очистки, иногда их приходится комбинировать. Это может быть:
- использование сорбентов для поглощения
- перевод в нерастворимые соединения через ионный обмен;
- мембранный фильтр воды для тяжелых металлов;
- гальваническая очистка;
- применение магнитного поля;
- дистилляция с последующим конденсированием.
Абсорбенты и мембранные фильтры, самые простые и недорогие способы очистки, и нашли широкое применение в бытовых очистных устройствах. Выпаривание, слишком энергозатратный метод и редко применяется, несмотря на высокий уровень очищения жидкости.
Ионно-обменный метод очистки дает высокие результаты по удалению примесей. Технология реализуется с помощью ионообменных смол, собирающих на своей поверхности ионы тяжелых металлов. Регенерацию смолы проводят кислотой. Металлы в ионной форме могут осаждаться с помощью изменения pH до значения 9,0÷10,5. И затем, отделяют осадок от жидкости.
При высоком насыщении жидкости ионами меди, хорошие результаты дает гальванический процесс. В загрязненную воду опускают электроды с пористой структурой и большой активной поверхностью. При подаче электричества, ионы меди восстанавливают атомарное состояние и осаждаются на электроде.
На водоочистных станциях, куда попадают и городские и производственные стоки, применяют цикличные процессы обработки воды, куда последовательно включают несколько операций.
Очистка сточных вод от
тяжелых металлов
Тяжелыми металлами принято считать химические элементы с молекулярной массой более 50, обладающих металлическими свойствами. Таких элементов насчитывается более 40, но наиболее токсичными из них являются ртуть, кадмий, свинец, медь, мышьяк, хром, цинк, железо.
В сточных водах тяжелые металлы содержатся в виде ионов или солей, что увеличивает их токсическое действие на природную среду и организм человека. При попадании загрязненных стоков в почву, подземные или поверхностные воды, ионы тяжелых металлов включаются в пищевые цепочки, где происходит их дальнейшее преобразование. В водоемах они имеют способность накапливаться в донных отложениях и, тем самым, являются источниками вторичного загрязнения. Способность аккумулироваться в тканях живых организмов делает их опасными для окружающей среды и здоровья человека.
Ионы тяжелых металлов способны встраиваться в обмен веществ и вызывать расстройства ЦНС, нарушение работы желудочно-кишечного тракта, приводить к тяжелым последствиям в результате поражения жизненно важных органов. Многие из них обладают канцерогенным действием. Необходимо строго контролировать поступление стоков, загрязненных солями тяжелых металлов, в окружающую среду, соблюдать нормативы, которые не должны превышать ПДК.
| Металлы | Предельный показатель вредности | ПДК, мл/л |
| Fe | органолептический, цвет | 0,3 |
| Cd | 0,001 | |
| Co³⁺ | санитарно-токсикологический | 0,1 |
| Si | санитарно-токсикологический | 10,0 |
| Cu | органолептический, привкус | 1,0 |
| Hg | санитарно-токсикологический | 0,0005 |
| Pb | санитарно-токсикологический | 0,03 |
| Ag | санитарно-токсикологический | 0,05 |
| Zn²⁺ | общий | 1,0 |
| Cr³⁺ | санитарно-токсикологический | 0,5 |
| Cr⁶⁺ | санитарно-токсикологический | 0,05 |
Для уменьшения содержания ионов тяжелых металлов в загрязненных стоках применяются методы и технологические схемы, которые разрабатываются в соответствии с особенностями производства.
Источник https://tri-kolodtsa.ru/news/tyazhelaya-voda-bassejny-u-aes-chem-opasny-dlya-okruzhayushej-sredy.html
Источник https://oskada.ru/obrabotka-i-ochistka-vody/tyazhelye-metally-v-vode-problemy-v-vodopolzovanii-i-ochistka.html
Источник https://www.vo-da.ru/articles/ochistka-ot-tyazholyh-metallov/soderjanie-i-normy-pdk