Красноярск против завода ферросплавов

Исследовательская работа

Выполнил:

Пономарев Альберт Константинович

ученик 11А класса МБОУ СОШ №93

Руководители:

Тарабанова Татьяна Сергеевна ,

учитель химии высшей категории МБОУ СОШ №93

Устинова Татьяна Ивановна,

старший преподаватель кафедры биологии

КрасГМУ им.проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого,

Красноярск 2012

Введение

В 11 километрах от города на площадке экскаваторного завода планируется строительство предприятия 1 класса санитарной вредности – марганцевый завод ферросплавов.

Запуск металлургического производства запланирован на 2012 год. Выход комбината на проектную мощность ожидается в 2016 году. 
Планы строительства завода вызвали бурные протесты общественности, самые массовые из которых — автопробег из центра Красноярска до площадки будущего завода — собрала несколько сот участников; флэшмоб на площади им. 350-летия Красноярска; инициативная группа «Красноярск против» привлекали внимание общественности к проблеме строительства завода ферромарганцевых сплавов.
В связи с этим тема исследовательской работы актуальна.
Ферросплавный завод входит в список наиболее опасных производств, выбрасывающий в окружающую среду большое количество загрязняющих веществ. Несмотря на принимаемые меры по снижению опасных выбросов, существует реальная опасность жителям города из-за очень высокой токсичности этих веществ.

Главная опасность тяжёлых металлов заключается в том, что они способны постепенно концентрироваться в пищевых цепях и таким образом в большей или меньшей степени воздействовать на организм человека. Попадая в организм человека, даже в небольших количествах, они накапливаются в нем и практически самостоятельно не выводятся.

Металлы – вездесущие токсиканты, в различных формах они способны загрязнять воздух, почву и воду. Человек, являющийся конечным звеном пищевой цепи, кумулирует в своём организме эти ядовитые металлы.

В современном мире организм человека постоянно подвергается воздействию неблагоприятных для его здоровья факторов. Значительный урон здоровью людей наносит металлургическое производство, поставляющее в окружающую среду ежегодно тысячи тонн газопылевых выбросов, содержащих токсичные соединения тяжелых металлов. Поскольку эти условия сопутствуют ухудшению здоровья, необходимо разработать рекомендации по введению в ежедневный рацион продуктов питания, позволяющих снизить влияние вредных веществ на организм человека. Продукты питания позволяют решить эту проблему.

Большинство овощей и фруктов содержат в своём составе клетчатку, пектины, обладающие сорбционными свойствами. Постоянное употребление их в пищу позволит уменьшить концентрацию вредных веществ в организме человека, и тем самым улучшить здоровье человека.

1. Изучить литературу по теме исследования

2. Выяснить уровень информированности населения о проблеме

3. 
   Изучить научную литературу, описывающую возможности уменьшения вредного воздействия ионов тяжёлых металлов на организм человека.
   
4. 
   Определить продукты питания, которые могут сорбировать ионы тяжелых металлов, и выбрать наиболее доступные
   
5. 
   Исследовать сорбционные возможности продуктов питания
   
6. 
   Разработать научно обоснованные рекомендации по питанию для людей, работающих на металлургических предприятиях, и людей, живущих близ этих предприятий
   
7. 
   Апробация и пропаганда полученных результатов
   

1. Изучение специальной литературы по выбросам ферросплавного производства и их вредном воздействии на здоровье человека, и возможности выведения из организма ионов тяжелых металлов

2. Определение продуктов питания, которые могут выводить из организма человека вредные вещества

3. Планирование и проведение эксперимента по исследованию сорбционных возможностей продуктов питания

4. Анализ полученных данных, описание проведённого эксперимента, формулирование выводов

5. Разработка научно обоснованных рекомендаций по питанию для людей, подвергающихся воздействию соединений тяжёлых металлов

Опытное изучение сорбционных возможностей продуктов питания, в нашем случае овощей и фруктов, доступных любому человеку, позволит нам разработать научно обоснованные рекомендаций по введению в ежедневный рацион тех продуктов питания, которые способны снизить вредное влияние тяжёлых металлов. Эти рекомендации опираются на данные проведённых опытов, доказывающих сорбционные свойства овощей и фруктов. Проведённые опыты доказывают возможность применения исследованных продуктов питания для улучшения здоровья населения, а вместе с этим и улучшения качества их жизни.

В нашем проекте в качестве экологически безопасного метода, позволяющего уменьшить количество ионов тяжелых металлов в организме человека, предлагается применять такие продукты питания как овощи и фрукты, способные сорбировать эти металлы. В большинстве случаев человек не принимает для профилактики никаких лекарственных препаратов, выводящих из организма тяжёлые металлы до тех пор, пока не начнут проявляться последствия от воздействия этих токсикантов на организм. Что нужно, чтобы предотвратить такой исход событий? Всего-навсего, ввести в свой ежедневный рацион те продукты питания, которые способны сорбировать и выводить из организма тяжёлые металлы. Для этого достаточно лишь знать, какой овощ или фрукт в той или иной мере сорбирует эти вещества и выводит их из организма, не позволяя накапливаться в нем.

Ферросплавный завод входит в список ста наиболее опасных производств. Несмотря на принимаемые меры по снижению опасных выбросов, существует реальная опасность жителям города из-за очень высокой токсичности этих веществ.

В настоящее время организм человека, живущего близ промышленных предприятий или работающего на самом предприятии подвергается серьёзному воздействию ионов тяжелых металлов, таких как: хром, железо , марганец, алюминий, свинец и многие другие.

Существующие средства, используемые для выведения тяжелых металлов из организма человека, являются синтетическими, малоэффективными и обладают серьёзными побочными действиями, в частности вызывают обеднение организма микроэлементами [4]. В связи с этим, в последнее время больше внимания уделяется препаратам, созданным на основе природных соединений, не вызывающих нежелательных побочных воздействий на организм человека и обладающих большой эффективностью. К таким веществам относятся природные полимеры на основе целлюлозы и пектина, обладающие комплексообразующими и сорбционными свойствами.

Эти показатели характерны как для жителей города, так и для работников ферросплавного завода. Каким образом можно уменьшить воздействие этих факторов на наше здоровье? В проекте мы исследуем сорбционные возможности овощей, фруктов, которые мы применяем в пищу и которые наиболее доступны людям по сезонным периодам, для уменьшения количества тяжёлых металлов в организме людей. Поэтому, повседневное употребление в пищу самых обычных, привычных для нас продуктов, позволит уменьшить количество ионов тяжелых металлов, тем самым, уменьшит вредное влияние их на наше здоровье.

Можно сказать, что одним из способов борьбы с вредным воздействием тяжёлых металлов – это научно обоснованное питание.

Рассмотрев большое количество литературных источников, мы не нашли нигде экспериментально подтвержденные рекомендации по применению в качестве сорбентов овощей и фруктов. В нашей работе на основе проведенных опытов количественно определено, какие овощи и фрукты лучше сорбируют ионы тяжелых металлов. На основе исследования разработаны рекомендации, в которых указывается в качестве профилактических мер для работников ферросплавного производства и жителей города постоянно применять в питании определенные овощи и фрукты.

МАРГАНЕЦ – это тяжёлый металл, он практически не выводится из организма, Марганец относится к числу нейротропных ядов.

Источники поступления в атмосферу: металлургическое производство, электростанции.
Рабочие на сталелитейных заводах и в шахтах уже через 2-4 года (описаны случаи через 2-6 месяцев) получают необратимые изменения в организме. Возникают тяжелые нарушения психики:
Галлюцинации – "марганцевое безумие";
Развивается марганцевый паркинсонизм(болезнь Паркинсона).
Мыслительный процесс заторможен, Избыток марганца в организме ведет к накоплению его в костях и появлению в них изменений, аналогичных симптомам рахита (марганцевый рахит).
Характерно угнетение функции гонад (яичники, семенники ):
снижение потенции у мужчин,
нарушение менструального цикла у женщин.
Особенно опасны отравления марганцем для детей и эмбрионов так как приводят к идиотии. После прекращения контакта с марганцем процесс отравления может прогрессировать несколько лет.
Токсическая доза для человека: 40 мг марганца в день.
Предельно допустимая концентрация в воздухе: 0,3 мг/м3.

2. 
   Физиологическое действие соединений тяжелых металлов
   

Свинец отрицательно действует на нервную систему человека, снижает его физическую активность, координацию, слух. Он воздействует на сердечно-сосудистую систему, что приводит к заболеваниям сердца, часто сопровождающимся необратимыми изменениями. Воздействие свинца нарушает репродуктивную функцию организма, в связи, с чем растёт число выкидышей и врождённых заболеваний у детей. При современном уровне загрязнения окружающей среды риск негативного воздействия его на людей простирается от рабочего, непосредственно соприкасающегося со свинцом в производственном процессе, до всего населения города через загрязнение окружающей среды.[6]

Хром участвует в обмене углеводов, способствует поддержанию на должном уровне сахара в крови. При избытке хрома в организме человека, происходит сбой обмена веществ, обмена углеводов, что приводит к с снижению иммунитета и низкую усвояемость питательных веществ организмом.

Основная биологическая функция железа – участие в транспорте кислорода и окислительных процессах. Эту функцию железо выполняет в составе сложных белков – гемопротеидов, простетической группой которых является железопорфириновый комплекс – гем. Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин и миоглобин, универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинтеза цитохромы, ферменты каталаза и пероксида, и других.

При биосинтезе гемопротеидов, железо переходит к ним от белка ферритина, осуществляющего запасание и транспорт железа. Этот белок, одна молекула которого включает 4500 атомов железа, концентрируется в печени, селезёнке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека.

Однако избыток железа (избыточная доза 200мг и выше) вызывает зашлаковывание организма на клеточном уровне, приводит к сидерозу глаз и лёгких – заболевания, вызываемые отложением соединений железа в тканях этих органов. Главный регулятор содержания железа в крови – печень [7].

Марганец забивает каналы нервных клеток. Снижается проводимость нервного импульса, как следствие повышается утомляемость. Появляется сонливость, снижается быстрота реакций, работоспособность, появляются головокружение, депрессивные, подавленные состояния.

Особенно опасны отравление марганцем у детей и эмбрионов (когда женщина беременна) - приводит к идиотий. Из 100 детей, матери которых во время беременности подверглись отравлению марганцем, 96-98 рождаются “идиотами”. Есть также теория, что токсикозы на ранних и поздних сроках беременности вызываются марганцем. В водопроводной воде - избыток марганца. Кроме воды марганец содержится в воздухе из-за производственных выбросов. В природе марганец накапливается в грибах и растениях, попадая, таким образом, в пищу. Марганец почти невозможно вывести из организма. Очень тяжело диагностировать отравление марганцем, так как симптомы очень общие и присущи многим заболеваниям, чаще же всего человек просто не обращает на них внимания.

1.3 Профессиональные заболевания ферросплавщиков

Тяжёлые металлы, попадая в наш организм, остаются там навсегда, вывести их можно только при длительном лечении. Достигая определённой концентрации в организме, они начинают своё губительное воздействие – вызывают отравление, мутации. Также в организме человека металлы засоряют почечные каналы, каналы печени, таким образом, снижая фильтрационную способность этих органов. Соответственно, это приводит к накоплению токсинов и продуктов жизнедеятельности клеток нашего организма, то есть к самоотравлению организма. Так как печень отвечает за переработку ядовитых веществ, попадающих в наш организм, и продуктов жизнедеятельности организма, а почки- за их выведение наружу, то тяжёлые металлы могут непосредственно влиять на работу этих органов, в частности на их функциональные способности. Одним из проявлений отравления организма тяжелыми металлами является токсическая энцефалопатия. Развивается это заболевание от постоянного воздействия на организм человека соединений марганца. При энцефалопатии чаще страдают стволовые клетки мозга, в связи с чем проявляются различные синдромы. Интоксикация марганцем встречается при добыче и переработке марганцевых руд, в производстве ферросплавов, при изготовлении и применении марганцевых электродов. В основе заболевания лежит поражение нервных клеток и сосудистой системы головного и спинного мозга. Для него характерны астения, повышенная сонливость, тупые боли в конечностях, ослабление памяти. В тяжелой форме – марганцевый паркинсонизм, маскообразность лица, петушиная походка [8].

4. 
   Вредные выбросы ферросплавного производства
   

В 70-80 гг. прошлого века большое внимание уделялось совершенствованию технологического оборудования и обьёмно-планировочных решений плавильных корпусов, что значительно улучшило условия труда в производстве ферросплавов, однако не исключило контакта рабочих с канцерогенно-опасными веществами. Более того, в связи со сложной социально-экономической ситуацией, положение в отрасли резко ухудшилось, прежде всего, из-за снижения внимания к вопросам улучшения условий труда.

Результаты исследовательской работы свидетельствуют о том, что условия труда в производстве ферросплавов характеризуются сложным и специфическим комплексом факторов, особая роль в котором отводится аэрозолям. Пылеобразование наблюдается на всех этапах технологического процесса и во всех производственных помещениях. По своей морфологии пыль, образующаяся при производстве ферросплавов, относится к аэрозолям дезинтеграций и конденсаций.

К аэрозолям дезинтеграций относится пыль сырьевых материалов, пыль, возникающая при деструкции шлаков хромосодержащих сплавов в период их остывания, а также пыль собственно сплавов, возникающая на этапах измельчения металла и сортировки готовой продукций. Присутствие пыли сырьевых материалов отмечено на участках подготовки и набора шихты, где источниками их выделения служит всё относящееся к указанным участкам технологическое оборудование, а также в плавильном отделении, где аэрозоль образуется при транспортировке и загрузке шихтового материала в плавильные агрегаты. Пыли, образующиеся при деструкции шлаков хромосодержащих сплавов, найдены в корпусах ферросплавных цехов, так как именно там происходит розлив шлака, а также дислоцируются остывочные площадки. Пыли собственно сплавов присутствуют в дробильном отделений, на участках сортировки, упаковки и хранения готовой продукций.

Основными источниками поступления аэрозолей конденсаций в рабочую зону служит плавильное оборудование (электропечи, плавильные камеры), а также ковши, тигли и изложницы, заполненные расплавом. Аэрозоли конденсации вместе с печными газами в больших количествах выделяются с поверхностей загрузочных воронок во время процесса дозасыпки шихтового материала, из ленточных отверстий печей во время их открытия перед выпуском металла.

Большинство частиц аэрозоля конденсаций (84,8 %) имеет размер менее 5мкм, что определяет устойчивый характер её присутствия в воздухе рабочей зоны и длительное нахождение в глубоких отделах органов дыхания.

Многокомпонентность шихты при выплавке ферросплавов определяет сложный химический состав пыли. Установлено, что в состав пыли входят хром (IV) и кремния диоксид кристаллический, являющиеся веществами, канцерогенными для человека. Содержание пыли на всех участках превышало ПДК от 1,2 до 2,6 раз по среднесменным значениям.

При выполнении плавильщиком операций, связанных с загрузкой шихты в плавильный агрегат, регистрировалось превышение ПДК хрома (IV) в 4,8 раза. Уровень содержания возгонов каменноугольных смол и пеков в воздухе рабочей зоны превышал ПДК по максимальным и средним значениями в 3,7 и 1,3 раза соответственно. Несмотря на то, что в процессе электротермического производства металла применяются графитовые электроды, смолистые возгоны обнаружены в высоких концентрациях. Вероятно, наличие их в воздухе рабочей зоны связано со сжиганием промасленной ветоши, бумаги, опилок в процессе высокотемпературного восстановления.

При выполнений технологических операций, связанных непосредственно с процессом плавления, были зафиксированы превышения ПДК по максимальным значениям хрома (IV), бензапирена и возгонов каменноугольных смол и пеков в 2,2; 1,7 и 7,2 раза соответственно. Средние значения хрома (IV) и возгонов каменноугольных смол и пеков составляют 0,021 и 0,192 мг/м³, что превышает ПДК в 1,2 и 3,8 раза.

Полученные данные свидетельствуют о необходимости разработки и внедрения мероприятий по снижению запылённости в цехах по производству ферросплавов, что может быть достигнуто, прежде всего, внедрением современных технологических решений, улучшением работы вентиляционных установок, максимальной изоляцией отдельных участков. Наряду с этим немаловажное значение должно придаваться усилению антиоксидантной защиты организма контактирующих с ферросплавной пылью рабочих путём использования биологически активных добавок с антиоксидантными свойствами и продуктов питания обладающих сорбционными свойствами.[10]

1. 
   Описание этапов проведенных экспериментов по выведению ионов тяжёлых металлов из организма человека
   

Для того чтобы провести опыт по выведению ионов тяжёлых металлов из организма, необходимо было создать желудочную среду, которая могла бы переваривать введённые образцы. Для этого экспериментальным путём была определена концентрация соляной кислоты, требуемая для имитации желудочного сока (рН 1,5-1,6). Поскольку температура в желудке у человека примерно равна 37 ^оС,.[11] был собран прибор, позволяющий на протяжении 2-3 часов поддерживать эту температуру. На следующем этапе было выбрано четыре образца продуктов питания, наиболее доступные населению города по ценам и по содержанию растительных волокон. Эти продукты измельчались и помещались в искусственную желудочную среду. В качестве вредных веществ, в эту среду были введены растворы солей ионов тяжёлых металлов. После того, как проходил процесс «переваривания» образцов, полученные растворы были отфильтрованы. Полученный фильтрат оттитровали соответствующим раствором и выясняли, какое количество ионов тяжёлых металлов было выведено из среды образцами продуктов питания то есть овощами и фруктами.

2. 
   Методика изучения сорбционных свойств овощей и фруктов
   

На мелкой терке измельчались морковь, яблоки, мелко нарезались капуста. Для опытов брали 30 г измельченных овощей, помещали в коническую колбу объемом 200 мл, добавляли с помощью бюретки 0,1 н соляной кислоты до рН среды 1,5-1,6. Добавляли в первую серию опытов 20 мл 1 М раствора хлорида хрома (III); во вторую серию опытов добавляли 20 мл 1 М раствора перманганат калия; в третью серию опытов – 20 мл 1 М раствора сульфата железа (II) . Затем в эти колбы приливали по 20 мл воды и помещали в термостат с температурой 37-38 °С, что соответствует желудочной среде. Через 2 часа содержимое этих колб отфильтровывалось. Полученные фильтраты переводились в мерные колбы объемом 50 мл, объем доводился до метки, затем методом перманганатометрического титрования [12] определялось остаточное количество введенных солей. В каждой серии и с каждым овощем и фруктом было проведено по три параллельных опыта. Параллельно проводились холостые опыты с этими же продуктами. В холостых опытах соблюдалась та же методика, только не вводились соли металлов. Также проводили по три параллельных опыта. Полученные результаты титрования в холостых опытах затем вычитались из результатов титрования образцов с солями металлов.

3. 
   Методика количественного определения ионов марганца Mn⁺²
   

3 Mn²⁺ + 2MnO₄^- + 7 H₂O → 5H₂MnO₃ + 4H⁺

ZnO + 2 H⁺ → Zn²⁺ + H₂O

ZnO + H₂MnO₃ → ZnMnO₃ + H₂O

Прибавление оксида цинка способствует поддержанию требуемой кислотности среды и полному окислению Mn²⁺ в Mn⁴⁺.

Фильтрат в мерной колбе довели до объема 50 мл и перенесли в коническую колбу, добавили оксид цинка, нагрели на водяной бане 5 минут. Горячий раствор оттитровали раствором перманганата до появления розовой окраски.[13,14]

4. 
   Методика количественного определения ионов Fe⁺²
   

Фильтрат в мерной колбе довели до объема 50 мл, перенесли содержимое в коническую колбу, оттитровали 0,1 н раствором перманганата калия до появления интенсивной желтой окраски. [12]

Результаты исследования извлечения ионов железа продуктами питания

5. 
   Методика количественного определения ионов Cr⁺³
   

Результаты исследования извлечения ионов хрома продуктами питания

Полученные результаты показывают, что все исследованные овощи и фрукты, в сыром виде способны абсорбировать ионы железа Fe⁺², марганца Mn⁺² и хрома Cr⁺³. Обобщенные результаты исследования приведены в таблице № 4.

Извлечение ионов тяжелых металлов продуктами питания

В результате проведенного исследования были изучены многочисленные литературные источники о выбросах ферросплавного производства и их влиянии на здоровье металлургов и людей, проживающих в зоне воздействия этих производств. Ионы тяжелых металлов, таких как хром, марганец, железо могут попадать в организм человека через пылевидные отходы и по пищевым цепочкам и накапливаться в нем. Повышенное содержание таких токсикантов ведет к серьезным изменениям в здоровье людей, вызывает тяжелые заболевания. Уменьшить воздействие этих металлов на человека можно с помощью овощей и фруктов, доступных всему населению. В качестве объектов исследования были выбраны самые распространенные овощи и фрукты: морковь, капуста, арбузы и яблоки. Была разработана методика исследования адсорбционных свойств вышеназванных продуктов питания. По этой методике исследованы возможности этих овощей и фруктов сорбировать ионы хрома Cr³⁺, железа Fe²⁺ и марганца Mn²⁺. Воздействию именно этих токсических ионов подвергаются рабочие нашего ферросплавного завода и жители города. Данное исследование установило, что эти продукты могут сорбировать большую часть попавших в организм человека ионов тяжелых металлов и выводить их естественным путем. Исходя из проведенной работы, можно сделать следующие выводы:

1. 
   Работники металлургических производств и жители расположенных вблизи населенных пунктов подвергаются воздействию отходов этих производств, содержащие ионы тяжелых металлов
   
2. 
   Ионы тяжелых металлов могут накапливаться в организме людей и вызывать серьезные заболевания (астма, психические расстройства, онкология)
   
3. 
   Уменьшить это вредное воздействие можно с помощью продуктов питания, таких как овощи и фрукты
   
4. 
   Яблоки, морковь, капуста , то есть самые доступные овощи и фрукты, способны адсорбировать ионы тяжелых металлов и выводить их из организма человека
   
5. 
   Ежедневное употребление в пищу свежих овощей и фруктов позволит уменьшить риск заболеваний, вызываемых избытком ионов тяжелых металлов в организме человека.
   
6. 
   Полученные результаты мы оформляем в виде буклета и знакомим с его итогами население города и работников ферросплавного завода.
   

1. 
   Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентраций химических веществ в окружающей среде.- Л.,Химия, 1985 год
   
2. 
   Энхольм Э. Окружающая среда и здоровье человека- М.,Прогресс, 1980
   
3. 
   Крешков А.П. Основы аналитической химий т.1.-М- Химия, 1976
   
4. 
   Величковский Б.Т., Шабынина Н.К., Покровская Л.В. Проблема канцерогенных воздействий в современном производстве ферросплавов. -М- Химия, 1985
   
5. 
   Энциклопедия для детей - Экология, том 19. Под ред. В.А.Володина. Издательство Аванта, 2001
   
6. 
   Матвеева, Леонов, Грачева. Гигиена и экология человека. Издательство Академия, 2006
   
7. 
   Ильин В. Б. Тяжёлые металлы в системе почва – растение. - Новосибирск: Наука, 1991