ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ СОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭКОСФЕРЕ НА ПРИМЕРЕ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Данная дипломная работа дает четкое представление об основных сорбционных процессах как важной части экосферы, их различном эколого-геохимическом значении, а так же роли данных процессов, в том числе на территории непосредственно Московской области. Приведено большое количество примеров, разработаны собственные карты на примере почвенной карты Московской области.
МГОУ (областной), июнь 2014, оценка отлично. ...

Введение……………………………………………………………………..
Глава I. Сорбционные процессы как фактор распределения химических элементов в окружающей среде……………………………………………
1.1. Выветривание и природные сорбенты………………………….
1.2. Коллоидные растворы……………………………………………
1.3. Распространение и геохимическое значение явлений сорбции-десорбции в окружающей среде…………………………………………….
Глава II. Сорбционные процессы в биокосных средах……………………
2.1. Рыхлые четвертичные отложения……………………………….
2.2. Почва. Поглотительная способность почв………………..
2.3. Донные отложения………………………………………………..
Глава III. Сорбционные процессы в атмосфере. Аэрозоли……………….
Глава IV. Природно-антропогенные геоэкологические следствия сорбционных процессов…………………………………………………….
4.1. Возникновение и создание плодородия и отравления почв……
4.2. Значение сорбциидля очистки питьевой воды. Очистка морских акваторий от нефти…………………………………………………………..
4.3. Образование полезных ископаемых……………………………..
4.4. «Обеззараживание» Мирового океана…………………………..
Заключение……………………………………………………………………
Список использованной литературы………………………………………..
Приложения

Сорбционные процессы всеобъемлющие. Они охватывают наиболее важные природные компоненты ландшафта и их части. Кора выветривания, биокосные системы (четвертичные отложения, почвы, донные отложения), аэрозоли, отчасти природные воды - все или находятся в коллоидном состоянии или в процессе своего образования прошли через него. Сорбционная способность горных пород связана с наличием в них коллоидных частиц.
Актуальность темы данной дипломной работы состоит в том, что сорбционные процессы, протекающие в экосфере, оказывают существенное влияние на рост растений, миграцию солей в почвах и грунтах, состав грунтовых вод, что влечёт за собой целый ряд важных для человека природно-антропогенных следствий, как положительного характера: возникновение и создание плодородия почв, очистка питьевой воды, очистка мировых акваторий от загрязнений нефтепродуктами, образование природных ископаемых, защитные свойства Мирового океана; так и отрицательного: загрязнение почв удобрениями, радиоактивными элементами

Аммоний в эквивалентном количестве обменивается на кальций.В почве физико-химическое поглощение происходит при изменении влажности, внесении удобрений, подъеме и опускании грунтовых вод, орошении. Малейшее изменение в составе и концентрации почвенного раствора вызывает изменение и в составе поглощенных катионов. Следовательно, между почвенным поглощающим комплексом и почвенным раствором существует постоянное взаимодействие. Каждая разновидность почвы имеет в поглощающем комплексе определенный состав и количество катионов.Химической поглотительной способностью называют такое поглощение, которое сопровождается образованием в почве труднорастворимых солей из легкорастворимых. Анионы азотной и соляной кислот (NO3- и Cl-) ни с одним из катионов (Са2+, Mg2+, К+, Al3+, NH/) не образуют в воде труднорастворимых соединений, а следовательно, химически почвой не поглощаются.Анионы угольной и серной кислот (СО32-, S042-) в почвах с большим количеством Са2+, Mg2+ химически поглощаются, так как образуют с ними труднорастворимые в воде соединения. Химическое поглощение фосфорной кислоты в почве происходит при образовании труднорастворимых или нерастворимых солей с двухвалентными и трехвалентными катионами (Са2+, Mg2+, Fe3+, Al3+) [20].В почвах с нейтральной или слабощелочной реакцией, содержащих обменно-поглощенный кальций, бикарбонаты кальция или магния в почвенном растворе, происходит химическое закрепление фосфорной кислоты в результате образования слаборастворимых фосфатов кальция и магния.Под физической поглотительной способностью понимают увеличение концентрации молекул различных веществ у поверхности коллоидов. Таким способом поглощаются молекулы некоторых органических веществ. Иногда принимают за физическую поглотительную способность два явления: физико-химическое и химическое поглощение. Например, молекулы фосфорнокислого калия могут поглощаться почвой. При внимательном рассмотрении причин поглощения нетрудно обнаружить, что в этом случае мы имеем дело не с физическим поглощением целых молекул, а с физико-химическим и химическим поглощением ионов. Рассмотрим подробно этот пример. Калий из фосфорнокислого калия поглощается физико - химически, т. е. он будет обмениваться на кальций согласно уравнению: ПСа2+ + 2К+ =ПК+2 + Са2+Вытесненный кальций с фосфорной кислотой образует нерастворимый осадок, т. е. произойдет химическое поглощение фосфат - анионов. Таким образом, одновременно протекают два процесса.К. К. Гедройц к физической поглотительной способности относит поглощение почвой щелочи. Однако и в этом случае происходит более сложный процесс. Щелочь, например едкий калий, состоит из катиона К+ и гидроксильного аниона. Гидроксильные анионы могут поглощаться почвенными коллоидами дополнительно (реагируя, например, с Н+), а катион, в данном примере калий, поглотится вследствие обмена на иные катионы, например на кальций.Физическое поглощение в почве может возникать и в результате коагуляции коллоидных частиц. Этот процесс предотвращает вымывание илистой фракции почвы, а также питательных веществ из корнеобитаемого слоя. Выделить в почве физическое поглощение очень трудно, так как оно постоянно находится во взаимосвязи с химическим поглощением и обменной адсорбцией.Под биологической поглотительной способностью понимают способность микроорганизмов, населяющих почвы, поглощать различные элементы: калий, фосфор и др. Корни растений также обладают поглотительной способностью. Одновременно с поглощением и усвоением питательных веществ на поверхности микроорганизмов и корней растений происходит обмен катионов и анионов [6].В результате деятельности растений и почвенных микроорганизмов накапливается органическое вещество, содержащее зольные элементы и азот. Этот вид поглотительной способности имеет большое значение в жизни почвы, в процессах почвообразования и играет существенную роль при внесении в почву удобрений. К биологическому виду поглотительной способности относится и усвоение свободного азота азотфиксирующими микроорганизмами. Некоторая часть питательных веществ, вносимых в почву в виде удобрений (N, Р, S), потребляется микроорганизмами; если этот процесс сильно выражен, то он может отрицательно отразиться на питании культурных растений [6].Наряду с педосферой, выделяют также так называемые «подводные почвы». Далее речь пойдет именно о них.2.3. Донные отложенияВо многом аналогичны почвам речные, озерные и морские илы. «Илы является природным телом, у которого существует очень глубокая аналогия с почвой. Это подводные почвы, где гидросфера занимает место атмосферы», — писал в 1936 г. В. И. Вернадский. Как и почвы, илы зависят от климатических (главным образом термических) условий и в своем размещении подчиняются закону зональности. Они содержат коллоидную фракцию, в них протекают обменные реакции. Однако в отличие от почв илы — это двухфазные системы (твердая + жидкая фаза), они растут снизу вверх и, следовательно, не имеют материнской породы. В образовании илов, как правило, не принимают участия высшие растения, илы характеризуются постоянным увлажнением. Все это определяет меньшее разнообразие илов по сравнению с почвами, их большую однородность в пространстве. Изучение илов составляет важную задачу геологии, которая видит в них первую стадию формирования осадочных горных пород. Особенно большое значение в этом отношении имеют труды академика Н. М. Страхова (1960).Илы — биокосные системы, так как они содержат органические остатки и огромное количество микроорганизмов, разлагающих их. Сущность илообразования заключается в разложении органических веществ, в окислительно-восстановительных реакциях. И для илов характерна окислительно-восстановительная зональность.Выделяют окислительные, глеевые и сероводородные илы. Расскажем коротко о каждом из них.Окислительные илы образуются в океанах, морях, озерах и реках — всюду, где в илах господствуют кислородные воды, создаются условия для перемешивания вод. Окислительная среда характерна для прибрежных песков, зоны волнений, но она также распространена и на больших глубинах, где мало органических остатков, а холодная вода богата растворенным кислородом. Окислительные илы преимущественно имеют желтую, бурую, красную окраску, обязанную гидроокислам трехвалентного железа.Глеевые илы характерны для озер, расположенных во влажном климате, например в тундре, тайге, влажных тропиках. В этих ландшафтах продуцируется много органического вещества, а сульфатов в водах мало. Здесь развивается восстановительная обстановка без сероводорода (глеевая). Железо и марганец восстанавливаются, илы приобретают сизую, зеленоватую, серую, охристо-сизую окраску. В глеевых илах накапливается много органического вещества; к таким илам относятся типичные сапропели (гнилые озерные илы).Сероводородные (сульфидные) илы широко распространены в морях и океанах, озерах степей и пустынь, где преобладают сульфатные воды, развивается десульфуризация, продуцируется Н2S, образуются сульфиды железа. Эти илы имеют серый, черный и синеватый цвет.Выделяются также классы илов, на основе представлений о типоморфных элементах и ионах (определяющие условия миграции в ландшафте: Ca, H+ ,Fe, S, Cl), т. е. так же как геохимические классы почв (Рисунок 5).Основное значение здесь имеют щелочно-кислотные условия илов, в связи с чем в каждом ряду можно выделить 1) сильнокислые, 2) кислые и слабокислые, 3) нейтральные и слабощелочные, 4) сильнощелочные (содовые) илы. По солености выделяются маломинерализованные (кальциевые) и сильноминерализованные соленосные (натриевые) илы.8915403718560-489585-501015Рисунок 5. Геохимические ряды и классы илов [25].В озерах преобладают глеевые и сульфидные илы, в реках — окислительные.Илы глеевого ряда особенно характерны для озер тундры и тайги. Здесь господствуют слабокислые и нейтральные глеевые илы. Тундровые и лесные озера богаты жизнью. В них для окисления остатков растений и животных не хватает кислорода. В результате разложение органических веществ замедляется, чему способствует и холодный климат. Постепенно на дне озера накапливается сапропель. Сапропели являются донными озерными отложениями и образуются из следующих основных компонентов: минеральных примесей привностного характера, неорганических компонентов биогенного происхождения, органического вещества отмерших водных растений и организмов, обитающих в воде озера, населяющих его дно и берега.Органическое вещество сапропелей образуется непосредственно в водоеме, но может также привноситься притоками или заноситься ветром. В некоторых водоемах сапропели являются одним из важных факторов формирования донных отложений. Гумусирование сапропеля образуется, например, при обильном подтоке болотных вод. Ветром обычно приносятся листья, пыльца и споры растений.Органическое вещество в сапропелях является главным седиментообразующим фактором и сорбирует многие макро и микрокомпоненты. Микроэлементы в сапропелях входят в состав карбонатов, органоминеральных соединений, они сорбированы гелями кремнезема, глинозема и гидрооксидами железа [21].Чаще всего органическое вещество сапропелей содержит: углерода 52—61%, кислорода 25—36%, водорода 6,6—8,1%, азота 4—6 %.В органическом веществе сапропелей 8,9—32 % гуминовых кислот,7,1—28 % фульвокислот, 1,9— 13,6 % трудногидролизуемых соединений (Таблица 2).Таблица 2Элементарный состав органического вещества сапропелей [29].Содержание органического вещества,%СОНNSСвыше 9054,5—60,8—6,6—7,44,0—4,9—80—9050,5—60,829,7—34,16,3—7,83,3—5,90,3—1,870—8047,2—58,630,4—34,16,5—7,73,5—5,10,3—2,760—7048,3—61,430,7—39,66,8—8,13,4—6,00,6—3,150—6050,5—60,030,6—35,86,9—7,63,6—5,60,5—2,640—5047,4—59,425,7—39,85,1—8,13,4—5,91,0—5,630—4049,3—60,923,6—33,86,8—9,03,2—5,41,4—6,320—3050,2—59,125,3—36,96,3—8,93,4-5,30,7—3,910—2052,4—30,430,4—32,27,6—8,44,2—6,32,3—4,9В целом47,2—61,423,6—39,95,1—9,03,2—6,30,3—6,3Емкость поглощения сапропелей изменяется от 6 до 29 мг экв и возрастает в основном с увеличением содержания органического вещества. При этом 60 - 80% приходится на долю поглощенного кальция и 15 - 20% — поглощенного магния, количество поглощенных калия и натрия не превышает 5 - 10 % [29].Различные по составу сапропели неодинаково влияют на плодородие почв. Но в целом можно отметить, что под влиянием сапропеля почвенная реакция смещается в сторону подщелачивания, отмечается увеличение валового азота и гумуса в почве, наблюдается улучшение структуры почв. Особая роль принадлежит известковистым сапропелям, использование которых для нейтрализации кислых почв значительно эффективнее, чем применение извести минерального происхождения, так как кальций сапропеля лучше усваивается, при этом почва обогащается органикой и необходимыми макро- и микроэлементами.Сапропель представляет большую хозяйственную ценность как прекрасное местное удобрение для полей, подкормка для свиней и других домашних животных, наконец, лечебная грязь. На берегах некоторых озер с сапропелем организованы бальнеологические лечебницы.Вместе с тем за счет накопления сапропеля происходит заиливание некоторых озер, вода их становится непригодной для водоснабжения. Поэтому очень выгодно использование сапропеля в народном хозяйстве, так как одновременно производится очистка озер. Запасы сапропеля в озерах лесной зоны очень велики. Его использование — хороший пример мобилизации внутренних ресурсов ландшафта для улучшения окружающей среды.Среди нейтральных и слабощелочных глеевых илов преобладают карбонатные илы. Они особенно характерны для лесостепной и северной частей степной зоны. В таежной и тундровой зонах карбонатные глеевые илы образуются на участках развития известняков, доломитов, карбонатной морены и других пород, содержащих карбонаты. Подобные «карбонатные сапропели» еще более ценны в хозяйственном отношении, чем ранее описанные.Сероводородные (сульфидные) илы распространены в соленых и солоноватых озерах степей и пустынь. Содержание органических веществ в сульфидных илах различное, местами очень небольшое, но его все же достаточно для восстановления сульфатов иловой воды, образования H2S и его производного — гидротроилита. Илы имеют черный цвет (цвет гидротроилита). Сульфидные илы представляют большую ценность в бальнеологическом отношении (их свойства те же, что и черных соленых грязей солончаков).Большинство осадочных горных пород образовалось из былых озерных, морских и речных илов [25].Глава III. Сорбционные процессы в атмосфере. АэрозолиПодобно тому, как в природных водах присутствуют растворенные вещества и тонкие взвеси, в атмосфере содержатся не только свободные молекулы и ионы газов, но также распыленные частицы твердых и жидких веществ.Взвеси твердых и жидких частиц в газообразной среде называются аэрозолями. Твердые аэрозольные частицы играют очень важную роль: они служат ядрами конденсации паров воды. Размеры этих частиц варьируются от 10-7 до 10-3 см (Таблица 3).Аэрозоли из твердых частиц называются также дымами, а аэрозоли из жидких частиц — туманами.Более мелкие частицы самостоятельно существовать не могут и присоединяются к другим. Есть электронейтральные и заряженные частицы (ионы). Последние состоят из молекул, группирующихся вокруг иона. Численность электронейтральных частиц меньше 0,1 мкм (так называемых ядер Айткена) очень большая, но в силу своих ничтожных размеров они составляют всего 10-20% от общей массы аэрозолей.Таблица 37296155890260Относительное содержание ионов в частицах разных размеровчастицы Айткена - r < 0,1 мкм;большие частицы - r = 0,1 + 1 мкм;гигантские частицы - r > 1 мкм.Аэрозольные частицы образуются из продуктов реакций сернистого газа, органических соединений, аммиака, сероводорода, окислов азота и некоторых других газов с окислителем типа озона, а так же с водяным паром и солевыми аэрозольными частицами [11].Как суша, так и океан находятся в состоянии непрерывного циклического обмена с нижними слоями атмосферы, поставляя аэрозольные частицы в воздух и получая их обратно в составе атмосферных осадков и в форме сухих осаждений. Частицы континентального происхождения относительно крупные, их средние размеры около 2 - 3 мкм. Над океаном преобладают более мелкие частицы разметом около 0,25 мкм.На суше в процесс обмена с атмосферой вовлекаются не только испаряющиеся поверхностные воды, но и твердое вещество земной коры и педосферы. Среди аэрозольных частиц морского происхождения преобладают растворимые в морской воде соли. С поверхности континентов выносятся мелкие частицы почвы, горных пород, вулканического пепла. Как показали наблюдения А.П. Лисицына (1978), обломки величиной 0,1 - 0,01 мм могут переноситься в нижних слоях тропосферы на расстояние в сотни - первые тысячи километров. Частицы величиной 1 - 10 мкм мигрируют во всей толще тропосферы, дальность их переноса достигает 10 тыс. км.Носителями рассеянных элементов служат аэрозольные частицы. Поэтому для понимания закономерностей миграции химических элементов в атмосфере важны результаты изучения динамики и состава аэрозолей. Концентрация аэрозольных частиц над континентами обычно измеряется десятками микрограмм в кубическом метре воздуха. Основными источниками аэрозолей являются почвы, растения, поверхность морей и океанов, вулканы, метеоритные потоки, лесные пожары, химические и фотохимические реакции в атмосфере, хозяйственная деятельность человека. По оценкам С.Дэвиса (1970), мощность природных источников аэрозолей составляет 2,31*10 т/год, из которых 1,10*109 т/год приходится на солевые частицы из океана (последние существуют в атмосфере не более нескольких дней, так как быстро вымываются осадками.) Мощность антропогенных источников аэрозолей оценена им в 2,96*108 т/год, т.е. несколько больше 10% от общей мощности источников.Дисперсные частицы, находящиеся в тропосфере, могут быть удалены из нее либо в результате осаждения под действием силы тяжести, либо путем вымывания атмосферными осадками. Самые мелкие частицы, вымываемые дождем, находятся в атмосфере около 7 суток. Имеющиеся данные позволяют заключить, что над континентами длительность нахождения частиц в воздухе ("время жизни аэрозолей") колеблется от 1 до 30 - 40 суток, чаще всего около 5 - 7 суток [9].Хотя миграция основных масс аэрозолей происходит в тропосфере, очень небольшая их часть поступает и в стратосферу, где находится от 4 до 14 лет. Размер этих частиц 0,2 - 2 мкм, их перенос осуществляется преимущественно с востока на запад очень быстрыми струйными течениями. В стратосфере отсутствуют пары воды. Предполагается, что удаление аэрозолей связано с образованием медленно осаждающихся хлопьев сульфатов, захватывающих мелкие частицы ("сульфатное вымывание"). Основное выпадение происходит в аридных и полярных зонах. Масса осаждающихся стратосферных аэрозолей в северном полушарии оценивается от 2 до 3 мг/км2 за 100 лет [16]. По-видимому, близкое количество тонких частиц поступает в стратосферу.Состав аэрозолей континентального и океанического происхождения существенно различается. В аэрозолях, поступивших в атмосферу с поверхности континентов, содержатся на уровне кларков земной коры такие типичные терригенные элементы, как кремний, алюминий, железо, титан, цирконий, иттрий, лантан, скандий. В океанических аэрозолях доминируют катионогенные элементы морских солей: натрий, магний, кальций, стронций. Повышенная концентрация некоторых элементов в континентальных аэрозолях обусловлена несколькими причинами. Первая из них заключается в составе исходного материала, поступающего в тропосферу в качестве аэрозольных частиц. Если бы ветром захватывались только мелкие обломки горных пород, то состав аэрозольных частиц должен быть идентичен составу литосферы. Но развеиванию подвергаются преимущественно рыхлые продукты выветривания и почвы. В верхнем горизонте продуктов выветривания концентрация некоторых элементов повышена вследствие их накопления в растительных остатках, гумусе или на поверхности глинистых частиц. Установлено что концентрации металлов в континентальной пыли и почве близки. Таким образом, дисперсные частицы, поступившие с поверхности суши в тропосферу, могут быть изначально обогащены некоторыми элементами.Минеральная пыль, содержащаяся в приземном слое тропосферы над залежами руд, содержит повышенные концентрации металлов за счет развеивания рыхлых продуктов выветривания, обогащенных рудными элементами. Определенные химические элементы, в том числе многие тяжелые металлы, поступают в тропосферу в парогазовой форме, а затем сорбируются наиболее мелкими аэрозольными частицами и при их выпадении выводятся из тропосферы. Механизм этого процесса наиболее хорошо прослеживается для элементов, легко переходящих в парообразное состояние. Примером является ртуть. Установлено, что аэрозоли обогащаются в тропосфере определенными химическими элементами, поступающими в парогазовом состоянии. Сложную проблему представляет установление источников парогазового потока тяжелых металлов и близких им элементов с переменной валентностью. Одним из наиболее очевидных источников поступления тяжелых металлов в атмосферу являются вулканы. Они выбрасывают в атмосферу колоссальное количество дыма и вулканического пепла. Эти частицы вместе с газами вулканического происхождения поднимаются в атмосферу на высоту более 20 км, причем самые мелкие частицы могут существовать в стратосфере на протяжении нескольких лет. Несмотря на эпизодичность извержений можно оценить их среднегодовую мощность примерно в 108т. Кроме того, сернистый газ, выбрасываемый в стратосферу (∼107 т/год), вступает в химические и фотохимические реакции с различными газовыми и аэрозольными компонентами атмосферы, в результате чего образуются новые аэрозольные частицы – сернокислотные и сульфатные.Вулканические аэрозоли по сравнению с земной корой обогащены относительно алюминия тяжелыми металлами в сотни и тысячи раз. Это происходит в результате сорбирования металлов, вынесенных при вулканических извержениях в парогазовой фазе.