10 Изоморфная форма нахождения химических элементов

Изоморфные смеси в минералах представляют собой закономерные замещения аналогичных элементов друг другом в кристаллических

решетках. Явление установлено немецким химиком Митчерлихом в 1819 г. Сейчас процесс изоморфного замещения подразделяют на

изовалентный и гетеровалентный. При изовалентном в кристаллических решетках замещаются ионы равной валентности, при гетеровалентной

- разной. Американцы называют этот процесс «диадохия».

К настоящему времени значительная часть редких и рассеянных элементов добывается из изоморфных смесей. Традиционно и вполне

обоснованно предпочтение отдается примесям рассеянных элементов в высокотемпературных магматических минералах. Так, значительное

количество Нf добывается из циркона, где гафний находится в изоморфной смеси к цирконию. Список с подобными примерами может быть

существенно расширен.

Однако и в низкотемпературных минералах возможны изоморфные примеси многих извлекаемых элементов и даже таких

широкораспространенных, как цинк. Потенциальные возможности изоморфных примесей как источника многих химических элементов (часто

даже добываемых попутно) чрезвычайно велики. Однако отработка руд с развитым изоморфизмом часто способствует специфическому

загрязнению территорий, прилегающих к рудникам, обогатительным фабрикам, металлургическим комбинатам.

При существующих в настоящее время методиках извлечения «попутных элементов» (часто большая) часть этих элементов уходит в

отвалы, вылетает с дымом из труб, удаляется с промышленными стоками. Будучи извлеченными из кристаллических решеток, изоморфные

примеси начинают самостоятельную миграцию в биосфере, точнее в ноосфере. В связи с этим в районе рудников, обогатительных фабрик,

металлургических комбинатов почвы, воды, растения имеют повышенные концентрации элементов, не извлекаемых из руд. Известны случаи

отравления этими элементами людей.

Необходимо в хозяйственной деятельности учитывать и то, что элементы, изоморфно входящие в какой-либо минерал, могут начать

самостоятельно мигрировать практически только после разрушения этого минерала.

Явление изоморфизма следует учитывать при использовании удобрений, в связи с проблемами окружающее среды. Основная часть

минеральных удобрений изготовляется из природных фосфатов и апатитов, в которых в виде изоморфных примесей содержится целый ряд

редких и редкоземельных элементов, включая Li, Sr, Y и др. Несовершенные технологии способствуют накоплению этих элементов в

удобрениях, с которыми они поступают в почвы, а затем при разложении удобрений - в воды и различные живые организмы.

13Коллоидная и сорбированная формы нахождения. В процессе формирования ноосферы к многочисленным природным добавились коллоиды техногенного происхождения. При этом часть природных коллоидов, находившихся ранее в состоянии относительного покоя, в результате антропогенных процессов начала мигрировать.

Основное количество коллоидов и сорбированных ими веществ поступает в атмосферу от металлургических предприятий (до 100 кг пыли на 1 т продукции), обогатительных фабрик, коксовых, мусоросжигающих заводов (до 50 т в сутки только за счет износа автопокрышек). Много коллоидных частиц, относимых к промышленным, образуется за счет сжигания топлива. Отметим, что зольность дров в зависимости от вида растений колеблется в пределах 0,5...3%, а – угля от 12 до 40%. Количество пыли, выделяемое при сжигании нефти в специальных установках, составляет около 0,1%, а при аналогичном сгорании 10 000 м³ газа ее выделяется около 1 кг.

Часть твердых частиц, поступающих в атмосферу, изначально содержит тяжелые металлы, способствуя металлизации атмосферы. Таким путем от металлургических предприятий поступают значительные количества Fe, Mn, Co, As, Pb, Zn, W, Cu, Cd и др. Теплоэлектроцентраль, сжигающая около 500 т донецкого угля в сутки, ежегодно выбрасывает в атмосферу около 37 т V, 21 т Рb, 20 т As, 13 т F, 10 т Ni, 1 т Be. He меньшие количества их поступают в атмосферу из золонакопителей.

Особо следует отметить, что значительная часть перечисленных элементов в виде аэрозолей поступает из атмосферы непосредственно в легкие и в кровь. Многие из них находятся ниже "линии жизни", а значит в больших концентрациях особо опасны для живых организмов. В сумме эти два фактора резко уменьшают безопасность жизнедеятельности в регионах с указанными предприятиями.

Крупные лито- и биогеохимические аномалии, образующиеся за счет осаждения техногенных аэрозолей, встречаются вблизи относительно небольших селитебных ландшафтов, населенных пунктов, а также рудников и обогатительных фабрик. Около крупных промышленных городов на юге европейской части России такие аномалии не установлены. Это объясняется двумя основными причинами. Во-первых, города с числом жителей около 1 млн и более расположены в регионе среди пашен. При постоянных перепахиваниях их почв постепенно увеличиваются фоновые содержания загрязняющих веществ, но не формируются техногенные аномалии. Во-вторых, в промышленных городах расположены разноплановые предприятия, выбрасывающие в атмосферу аэрозоли разного состава и зарядов. Обычно основные вещества (CaO, ZnO, MnO, Fe₂O₃ и т. д.) заряжены отрицательно, а кислые (SiO₂, P₂O₅ и т. д.) и угольная пыль – положительно. Чем больше разноименно заряженных частиц находится в определенной части атмосферы (над отдельным предприятием, городом), тем чаще они сталкиваются, соединяются и оседают (В.А. Алексеенко, 1994). Итак, чем больше разнообразных предприятий – источников разнозаряженных аэрозолей находится рядом, тем меньше дальность переноса этих аэрозолей.

Это ослабляет глобальные (с точки зрения пространственного распространения) последствия атмосферного переноса коллоидов техногенной природы. Однако при этом на относительно небольшой территории с максимальной плотностью населения их оседает максимум. Это напрямую сказывается на безопасности жизнедеятельности. Относительное рассеивание коллоидов становится незначительным, а токсичное воздействие резко возрастает, что позволяет относить последствия рассматриваемого переноса (несмотря на его небольшую дальность) к глобальным явлениям, уменьшающим безопасность жизнедеятельности.

Кроме того, промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу громадное количество паров и газов различного состава. В городах с населением около 1 млн жителей за год этих поллютантов поступает до нескольких тысяч тонн. Из них образуются различные аэрозоли с жидкой дисперсной фазой, в том числе различные кислоты, особенно при переработке руд на металлургических предприятиях. В районах действия таких предприятий особо часты кислотные осадки.

К кислотным осадкам относят дождь и снег с рН меньше 6,5. Кроме серы и ее оксидов, обычно связанных с переработкой сульфидных руд, важным источником промышленных коллоидов с жидкой дисперсной фазой могут быть выбросы в атмосферу NO и HCI. Выпадение кислотных осадков приводит к гибели ряда организмов в почвах и водоемах (отмечены случаи гибели даже рыб), к снижению прироста лесов и к их усыханию. К районам, подверженным воздействию кислотных осадков, относятся, в первую очередь, Центральный Казахстан, Западная Европа, Канада и США. Увеличение кислотности осадков, выпавших на границе США и Канады, примерно за 10 лет (с 60-е по 70-е годы XX в.) показано на рис. 5.1. Ясно, что кислотные осадки, воздействуя на все живые организмы, отрицательно влияют и на жизнедеятельность человека.

К районам, особо опасным по последствиям выпадения кислотных осадков, следует относить участки океанических мелководий, где из-за повышения кислотности вод невозможно размножение многих морских организмов.

В результате может оказаться глубоко нарушенным экологическое равновесие, что способно затронуть и Мировой океан.

Промышленные предприятия и селитебные ландшафты – также источники коллоидов в жидкой дисперсионной среде. Так, Москва за год спускает в речки 20...30 тыс. т взвешенных частиц (Ю.Е. Сает, 1990); в районе Вашингтона пятая часть взвешенных частиц поступает в реки с урбанизированных территорий, занимающих всего 1/50 площади водосбора. Можно ориентировочно считать, что в аквальные ландшафты водоемов от населенных пунктов взвешенных частиц поступает в 2...5 раз больше, чем от природных ландшафтов.

В результате сельскохозяйственных работ основная масса коллоидов образуется при обработке полей. Второстепенными (по массе) источниками коллоидных частиц являются удобрения и химические средства защиты определенных растений, истирающиеся орудия обработки почв и транспорт. Однако эти источники оказываются основными поставщиками металлов, образующих самостоятельные коллоиды и сорбируемых коллоидами гумуса и глинистых минералов. С удобрениями из апатитовых концентратов в больших количествах поступают As, Sr, Y, Nb, Cd, Sn, La, Се; из желваковых и ракушечных фосфоритов – Zn, As, Sr, Y, Cd, Sn, La, Ce, Pb, находящиеся в этих горных породах в виде примесных элементов.

За счет поверхностного стока значительная часть коллоидных частиц различного происхождения поступает в реки. При этом часть тяжелых металлов концентрируется в почвах пойм, образуя своеобразные пойменные аномалии. Произрастающие на них сельскохозяйственные культуры могут давать более низкие урожаи и содержать многие химические вещества в токсичных концентрациях.

Минеральная форма. Общая масса химических элементов, находящихся в минеральной форме в биосфере, осталась практически неизменной при ее переходе в ноосферу, но увеличилась масса интенсивно мигрирующих минералов. Ее формирование связано со сносом минералов с полей и с деятельностью горнорудной промышленности. При поверхностном сносе минералов с агроландшафтов (в основном глинистых) концентрация элементов, образующих эти минералы, обычно близка к кларковой.