Учебное пособие для лекционного курса «Техногенные системы и экологический риск»

КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Химический институт им.А.М.Бутлерова
Кафедра неорганической химии





ТЕХНОГЕННЫЕ СИСТЕМЫ И ХИМИЧЕСКАЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ


Учебное пособие для лекционного курса
«Техногенные системы и экологический риск»





Казань
2012

2
УДК 504.054 : 504.064
Е 14

Печатается по решению Редакционно-издательского совета ФГАОУВПО
«Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Учебно-методической комиссии Химического института им. А.М. Бутлерова
протокол N 7 от 22 марта 2012 г.

заседания кафедры неорганической химии
протокол N 6 от 15 марта 2012 г.

Составители:
Н.А.Улахович, С.С.Бабкина, Э.П.Медянцева, М.П.Кутырева,
А.Р.Гатаулина, И.В.Барулина
Научный редактор:
д.х.н., проф. Н.А.Улахович

Рецензенты:
заведующий кафедрой общей химии и экологии КНИТУ, д.х.н., проф.
А.Н.Глебов, зам.директора Химического института им.А.М.Бутлерова КФУ, д.х.н., проф.
Л.Г.Шайдарова

Е 14 Техногенные системы и химическая безопасность: учебное пособие для лекционного курса «Техногенные системы и экологический риск» /
Н.А.Улахович,
С.С.Бабкина,
Э.П.Медянцева,
М.П.Кутырева,
А.Р.Гатаулина, И.В.Барулина. – Казань: Казанский (Приволжский) федеральный университет, 2012. – 110 с.

Рассмотрены антропогенные источники вредных химических веществ, их токсичность, нормирование, классификация, трансформация химически опасных веществ в объектах окружающей среды и живых организмах, мониторинг окружающей среды.
Изложены вопросы, связанные с опасностями, возникающими при работе химико-технологических объектов, а также требования безопасности при работе с сильнодействующими ядовитыми веществами. Рассмотрены аварии на химически опасных объектах, мероприятия по обеспечению безопасности персонала и населения, проживающего вблизи данных объектов, мероприятия по защите объектов окружающей среды от химического загрязнения.

3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
5 1.
Токсикологические проблемы в стратегии уменьшения опасности химических производств
6 2.
Нормирование химически опасных веществ
13 3.
Классификация химически опасных веществ
21 3.1. Классификация химических веществ по степени токсичности
21 3.2. Классификация химических веществ по степени воздействия на организм
22 3.3. Классификация с учетом ведущих механизмов действия химических веществ
23 3.4. Другие классификации
27 4.
Свойства техногенных химических загрязнителей
30 4.1. Вещества, нарушающие транспорт кислорода кровью
(яды крови)
30 4.1.1. Монооксид углерода
30 4.1.2. Метгемоглобин
32 4.1.3. Гемолитические яды
33 4.2. Ингибиторы цепи дыхательных ферментов. Цианиды
34 4.3. Химические вещества преимущественно нейротоксического действия
36 4.3.1. Хлорорганические пестициды
36 4.3.2. Фосфорорганические вещества
38 4.3.3. Противоядия при отравлениях фосфорорганическими веществами
43 4.3.4. Блокаторы пиридоксалевых ферментов
46 4.4. Химические вещества преимущественно цитотоксического действия
48 4.4.1. Диоксины и диоксиноподобные вещества
48 4.4.2. Полициклические ароматические углеводороды
53 4.4.3. Ионы металлов и металлорганические соединения
56 4.4.4. Антропогенные радиоактивные факторы
60 5.
Превращения химических веществ в окружающей среде
65 5.1. Биотрансформация токсикантов
66 5.2. Процессы трансформации химических веществ в окружающей среде
67

4 5.3. Метаболизм и трансформация экотоксикантов в гидросфере
69 5.4. Совместное воздействие экотоксикантов
74 5.5. Особенности выведения токсикантов из организма
74 6.
Особенности экстремальных воздействий токсикантов
76 7.
Экологический риск и его оценка
81 8.
Химически опасные объекты
88 8.1. Химико-технологический объект как источник потенциальной опасности
88 8.2. Основные требования при создании химически опасных объектов
91 8.3. Основы безопасности технологического процесса
98 8.4. Безопасность персонала химически опасных объектов 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
102
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
103
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
104
КРАТКИЙ СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
106

5
ВВЕДЕНИЕ

В последнее время возрастает роль токсикологических исследований в разработке стратегий уменьшения опасности химических производств. Проведение подобных исследований необходимо при совершенствовании методологии прогноза опасности химических производств, обосновании комплекса медицинских мероприятий при ликвидации последствий химических катастроф, а также при прогнозировании отдаленных последствий загрязнения окружающей среды для здоровья человека. Однако токсикологическое обеспечение стратегии уменьшения опасности химических производств, представляется исключительно сложной задачей.
Во всем мире производится более одного миллиона наименований химических веществ в год. В промышленное производство, сельское хозяйство и сферу быта ежегодно внедряется около тысячи новых химикатов. Разносторонняя токсикологическая оценка даже одного нового химического соединения составляет трудоемкую и достаточно сложную задачу, решение которой невозможно без разработки новых методологических подходов и прогрессивных технологий.
В предлагаемом учебном пособии рассматривается ряд подходов и, прежде всего, вопрос классификации химических веществ с точки зрения их опасности. Этот вопрос является одним из ключевых в программе курса «Техногенные системы и экологический риск».
Для решения основной задачи изучаемой дисциплины необходимо:
- знать наиболее распространенные загрязнители окружающей среды и источники их поступления;
- изучить закономерности накопления этих веществ в объектах окружающей среды;
- знать закономерности физико-химических превращений загрязнителей окружающей среды;
- прогнозировать поведение химических загрязнителей под влиянием различных факторов и антропогенных воздействий;
- изучить методы и средства анализа и мониторинга загрязнителей окружающей среды;
- знать новые технологии очистки сточных вод и выбросов газообразных продуктов различных производств, а также способы утилизации и уничтожения отходов;

6
- знать способы получения безопасных веществ, которые позволяют уменьшить экологический риск, связанный с функционированием различных производств.

1. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В СТРАТЕГИИ
УМЕНЬШЕНИЯ
ОПАСНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Анализ известных технологических катастроф, в том числе химических, обнаруживает две основные тенденции: устойчивый рост риска аварий и их разрушительной силы. Только на конец ХХ столетия приходится около 1/3 крупнейших промышленных аварий из числа всех в истории цивилизации: Бхопал (Индия, 1984 г.), Кубато
(Бразилия, 1984 г.), Уфа (СССР, 1989 г.). Причины этого заключаются в концентрации производств, усложнении технологий, рост объемов производства.
В концептуальном плане представляются конструктивными следующие положения:
1.
Признание как объективного фактора недостижимости абсолютной безопасности химических производств.
2.
Создание технологий со все более уменьшающимся риском.

Выделяют три типа стратегий управления применительно к чрезвычайным ситуациям:
1.
Предотвращение причин чрезвычайной ситуации.
2.
Предотвращение их самих.
3.
Максимальное ослабление их последствий.

Реализация любой из стратегий достигается осуществлением комплекса мероприятий различного характера: правового, технического, социально-экономического.
В промышленной терминологии принято понятие «вредное вещество», то есть такое вещество, которое при контакте с организмом человека в случае нарушения требований безопасности может вызвать производственные травмы, отравления, профессиональные заболевания и отклонения в состоянии здоровья. Даже в условиях безаварийной работы технологических процессов в окружающую среду поступают вредные

7 вещества. Источниками выделений вредных веществ могут быть негерметичное оборудование, недостаточно механизированные
(автоматизированные) операции загрузки и выгрузки готовой продукции, ремонтные работы. Особенно опасными для человека и окружающей среды являются аварии на химических объектах, поскольку в этом случае вещества попадают в окружающую среду в поражающих концентрациях.
Химическое вещество, применяемое в промышленности и сельском хозяйстве, при аварийном выбросе (сбросе) которого может произойти заражение окружающей среды в поражающих живой организм концентрациях, называется сильнодействующим ядовитым веществом (СДЯВ). Из всех опасных химических веществ, используемых в настоящее время в промышленности, только немногим более 100 можно отнести к СДЯВ. Способность любого из них легко переходить в окружающую среду и вызывать массовые поражения определяется основными физико-химическими свойствами. Прежде всего, необходимо принимать во внимание такие характеристики, как агрегатное состояние, растворимость, плотность, летучесть, температура кипения, давление насыщенных паров, склонность к гидролизу, вязкость и др.
Наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносят шесть отраслей промышленности и автотранспорт: теплоэнергетика (27%), черная металлургия (24%), цветная металлургия (11%), нефтедобыча и нефтехимия
(15%), автотранспорт
(13%), производство стройматериалов (8%), химическая промышленность (1.5%). Выбросы химических производств меньше по общему количеству, но их разнообразие и высокая токсичность ставят химическую промышленность в ряд основных загрязнителей биосферы.
Наиболее распространенными токсичными веществами, загрязняющими атмосферу, являются: монооксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, углеводороды и пыль. Основные источники веществ, загрязняющих атмосферу, и их выбросы приведены в таблице
1.1.

8
Таблица 1.1. Ежегодное количество вредных веществ, поступающих в атмосферу
Вещество
Выбросы, млн. т
Доля антропогенных вредных веществ в общих поступлениях,
%
Естественные Техногенные
Пыль
3700 1000 27.0
Монооксид углерода
5000 304 5.7
Углеводороды
2600 88 3.3
Оксиды азота
770 53 6.5
Оксиды серы
650 100 13.3
Диоксид углерода
485000 18300 3.6

Вредные вещества поступают в водоемы с промышленными, поверхностными и бытовыми стоками и с атмосферными осадками. К ним относятся: бензол, нефтепродукты, минеральные удобрения, пестициды, моющие средства ПАВ, тяжелые металлы и их соединения
(табл. 1.2).

Таблица 1.2. Количество сброшенных со сточными водами веществ, загрязняющих водные объекты
Вещества
Доля проб воды, загрязненной выше
ПДК, %
Масса сброшенных загрязняющих веществ, тыс.т
Нефтепродукты
40 – 45 30.3
Органические соединения
30 – 35
–
Взвешенные вещества
–
1203.0
Фенолы
45 – 60 0.3
ПАВ
6 – 8 11.0
Аммонийный азот
25 – 40 190.7
Соединения:
меди
70 – 75 0.8 цинка
30 – 35 2.1 железа
–
49.2

9
Основными источниками загрязнения гидросферы являются:

сточные воды промышленных предприятий объемом несколько миллиардов кубических метров в год. При разработке пластовых месторождений ежегодно образуются миллиарды кубических метров дренажных шахтных и шламовых вод, которые загрязнены железом, медью, хлоридными и сульфатными соединениями и не пригодны даже в качестве технической воды;

городские сточные воды, содержащие растворимые органические вещества, микроорганизмы, взвешенные частицы и песок;

канализационные воды животноводческих хозяйств, содержащие органические вещества и микроорганизмы;

дождевые и талые воды с растворенными химическими веществами, образующиеся в городах и на полях;

водный транспорт, поставляющий в гидросферу нефтепродукты;

естественные осадки из атмосферы.
Воздействие химических веществ на гидросферу приводит к следующим негативным последствиям:

снижаются запасы питьевой воды (около 405 контролируемых водоемов имеют загрязнения, превышающие 10 ПДК);

изменяются состояние и развитие фауны и флоры водоемов, нарушается биологическое равновесие;

нарушается круговорот многих веществ в биосфере;

снижается биомасса планеты и, как следствие, воспроизводство кислорода;

повышается опасность попадания загрязнений сточных вод в зону залегания грунтовых вод.
Загрязнение земель вредными веществами происходит при добыче полезных ископаемых и их обогащении, захоронении бытовых и промышленных, в том числе и радиоактивных, отходов, проведении военных учений и испытаний и т.п. Почвенный покров существенно загрязняется в зонах рассеивания различных выбросов в атмосфере, пахотные земли при внесении удобрений и применении ядохимикатов.
Среди отраслей промышленности наибольшие образования отходов, загрязняющих почву, отмечены в металлургии, на

10 химических и нефтехимических производствах, в угольной промышленности. Основные источники и наиболее распространенные группы веществ химического загрязнения почвы приведены в таблице
1.3.

Таблица 1.3. Источники и вещества, загрязняющие почву
Вредные вещества
Источники загрязнения почвы промышленность транспорт ТЭС АЭС сельское хозяйство
Тяжелые металлы и их соединения
(Hg, Pb, Cd и др.)
+
+
+
–

+
Циклические углеводороды, бенз(а)пирен, диоксины
+
+
–

–

+
Радионуклиды
–
–
–
+
–
Нитраты, нитриты, фосфаты, пестициды
+
–

–

–

+

Из всех приведенных в таблице 1.3 загрязняющих веществ наиболее опасными являются диоксины, пестициды и тяжелые металлы. Из диоксинов самым токсичным является 2,3,7,8 – тетрахлорбензодиоксин. По общей токсичности диоксины и фураны превосходят самые сильные химические яды: яд курарэ, стрихнин, цианид калия, диизопропилфосфат.
Для уменьшения образования диоксинов в окружающей среде необходимо утилизировать органические хлорсодержащие вещества.
Для этого используются различные методы утилизации, суть которых заключается в переработке хлорорганических соединений с получением продуктов, которые не содержат в своем составе атомов хлора и могут быть использованы в качестве смазочных охлаждающих жидкостей или масел.
Пестициды - это общее наименование всех химических соединений, которые используются для защиты сельскохозяйственных растений от вредителей, паразитов, сорняков, болезней и микроорганизмов. В соответствии с назначением пестициды подразделяют на инсектициды, гербициды, фунгициды, родентициды, нематоциды и аскорициды. С химической точки зрения пестициды

11 подразделяются на хлорпроизводные углеводородов (ДДТ, дильдрин, гексахлоран), фосфорорганические пестициды (дихлофос, карбофос), ртутьорганические соединения (метилртуть, ацетат метоксиэтилртути и др.), карбаматные пестициды (севин, карбатион и др.), производные феноксиуксусной кислоты, производные феноксиуксусной кислоты
(2,4-Д и 2,4,5-Т), производные дипиридила (паракват, дикват и др.), органические нитросоединения (динитроортокрезол, динитрофенол) и прочие. По скорости разложения в почве, воде и других объектах пестициды разделяют на 6 групп с периодом разложения более 18 месяцев, около 18 месяцев, около 12 месяцев, до 6 месяцев, до 3 месяцев, менее 3 месяцев.
Для оценки препаратов по степени воздействия на окружающую среду используют формулу:
ЭН = Р/ЛД
50
П, где ЭН – экологическая нагрузка,

Р – норма расхода препарата в граммах на 1 гектар,

П – период полураспада,

ЛД
50
– полулетальная доза.

В окружающей среде пестициды подвергаются биотическим и абиотическим превращениям за счет процессов расщепления, гидролиза, окисления и восстановления. Для уменьшения воздействия пестицидов на окружающую среду необходимо синтезировать пестициды нового поколения на основе природных соединений, которые для окружающей среды.
К тяжелым металлам относятся металлы с плотностью выше
8 г/см
3
. Обычно рассматривают 14 элементов: Hg, Pb, Cd, As, Sb, Sn,
Zn, Al, Be, Cu, Ba, Cr, Tl, Fe. Они характеризуются высокой токсичностью, мутагенным и канцерогенным эффектом, способностью к биоаккумуляции. Тяжелые металлы по характеру биологического воздействия можно подразделить на токсиканты и микроэлементы, имеющие принципиально различный характер влияния на живые организмы.
Понятие «токсичность» в экологическом контексте относится к химическому влиянию веществ, которые понижают жизнеспособность отдельной популяции и изменяют взаимоотношения между популяциями. Отрицательный эффект взаимодействия токсичных

12 ионов металлов с биологически активными макромолекулами связан со следующими процессами:

вытеснением необходимых металлов из их активных мест связывания токсичным металлом;

связыванием части макромолекулы, необходимой для нормальной деятельности организма;

сшиванием с образованием биологических агрегатов, вредных для организма;

деполимеризацией биологически важных макромолекул;

неправильным спариванием оснований нуклеотидов и ошибками в белковых синтезах.
Существует несколько путей проникновения ионов металлов в живой организм: с инъекциями, при впитывании кожей, проникновение путем ингаляции, с пищевыми продуктами. Наиболее серьезное токсичное действие ионов металлов возникает при вдыхании пыли, как правило, происходящем на промышленном предприятии.
Особенно опасны частицы диаметром 0.1 – 1.0 мкм, которые эффективно адсорбируются легкими. Легкие поглощают ионы металлов в десять раз эффективнее, чем желудочно-кишечный тракт.
Летучие металлосодержащие соединения (карбонильные и алкильные соединения ртути, свинца, олова) эффективно адсорбируются легкими и могут вызвать острое отравление металлом. Для большинства людей основной путь поступления токсичных ионов металлов в организм связан с пищевыми продуктами. Однако многие ионы металлов плохо всасываются из желудочно-кишечного тракта.
Для объектов окружающей среды и продуктов питания установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) токсичных веществ.

Контрольные вопросы
1.
Дайте определение понятию «вредное вещество».
2.
Какие химикаты называются сильнодействующими ядовитыми веществами?
3.
Какие отрасли промышленности вносят наибольший вклад в техногенное загрязнение окружающей среды?
4.
Перечислите наиболее распространенные загрязнители атмосферы.

13 5.
Назовите техногенные источники химических веществ, загрязняющих атмосферу.
6.
Какие техногенные источники химического загрязнения гидросферы вы знаете?
7.
К каким негативным последствиям приводит воздействие химических веществ на гидросферу?
8.
Каковы основные источники и пути миграции химических веществ в почву?
9.
Почему необходимо утилизировать органические хлорсодержащие веществ, попадающие в окружающую среду?
10.
На какие группы подразделяют пестициды в зависимости от их назначения?
11.
Охарактеризуйте кинетику разложения пестицидов в окружающей среде.
12.
Какие процессы лежат в основе биотических и абиотических превращений пестицидов в окружающей среде?
13.
Какие металлы относят к тяжелым?
14.
В чем заключается принципиальное различие токсикантов и микроэлементов?
15.
Охарактеризуйте зависимость влияния химических элементов от концентрации на организм человека.
16.
Какие процессы определяют отрицательный эффект взаимодействия токсичных металлов с биологически активными макромолекулами?
17.
Назовите пути проникновение ионов металлов в живой организм.
18.
Охарактеризуйте различные миграционные формы с точки зрения биодоступности атомов тяжелых металлов.
19.
Какие факторы влияют на биодоступность атомов тяжелых металлов?
20.
Как можно рассчитать экологическую нагрузку?
21.
Каким образом измеряют степень токсичности химических веществ?

2.

НОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ

Критерием оценки загрязнения окружающей среды является сравнение реальных концентраций примесей в этой среде с ПДК.

14
Нормы ПДК являются исходной базой для проектирования технологических линий, промышленных сооружений и предприятий, а также для расчета режимов работы вентиляционных и других очистительных систем. Для воздушной среды установлены следующие санитарно-гигиенические показатели.
ПДК
рз
– это предельно допустимая концентрация вещества в воздухе рабочей зоны (мг/м
3
). Эта концентрация при ежедневной работе в пределах 8 часов или при другой продолжительности рабочего дня (но не более 40 часов в неделю) в течение всего рабочего стажа не должна вызывать патологий в состоянии здоровья в процессе работы или в отдаленные сроки настоящего и будущего поколений.
Рабочей зоной считается пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площадки, на которой находятся места постоянного или временного пребывания работающих.
ПДК
мр
– предельно допустимая максимальная разовая концентрация вещества в воздухе населенных пунктов (мг/м
3
). Эта концентрация, которая при вдыхании в течение 20 минут не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека.
ПДК
сс
– предельно допустимая среднесуточная концентрация вещества в воздухе населенных пунктов (мг/м
3
). Эта концентрация не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неограниченно долгом вдыхании.
Концентрация вредного вещества в воздухе производственных помещений не должна превышать ПДК
рз
, в воздухе для вентиляции производственных помещений – 0.3 ПДК
рз
, в атмосфкрном воздухе населенных пунктов – ПДК
мр
, в зоне отдыха – 0.8 ПДК
мр

Для проектируемых промышленных предприятий устанавливается расчетным путем ориентировочный безопасный уровень воздействия
(ОБУВ) загрязняющих атмосферу веществ.
ПДК веществ в воздухе населенных пунктов установлены приблизительно для 500 веществ, ОБУВ – для 1500 веществ.
При совместном присутствии в атмосферном воздухе нескольких веществ, обладающих аддитивным действием, сумма частных от деления их концентраций на величину ПДК каждого вещества не должна превышать единицы:
С
1
/ПДК
1
+ С
2
/ПДК
2
+ … + С
n
/ПДК
n


1,

15 где С – фактические концентрации веществ в атмосферном воздухе, мг/м
3
,
ПДК – предельно допустимые концентрации тех же веществ, мг/м
3

Если присутствующие вещества обладают синергетическим или антагонистическим действием, то оценку суммарного действия можно проводить с учетом коэффициента комбинированного действия К
кд по формуле:
С
1
К
кд
/ПДК
1
+ С
2
К
кд
/ПДК
2
+ … + С
n

Каталог: staff files
staff files -> Мингазова Р. Р. старший преподаватель
staff files -> Педагогическая