Мировое производство ртути увеличилось в начале XX века (рис. 1.3., табл. 1.1.). Мировое производство ртути после 1970-х годов начало снижаться (рис. 1.3.). Однако вклад Hg из мировой угольной промышленности быстро увеличился с 1860-х годов из-за неуклонного роста мирового производства угля (рис.1.3.). Производство ртути в мировой угольной промышленности в 1983 году оценивается в 5,46х105 кг (рис. 1.3.). Ртуть очень летучая и существует почти исключительно в паровой фазе горения и газификации дымовых газов (Galbreath and Zygarlicke 1996). Поэтому глобальные выбросы ртути в атмосферу, образующиеся в результате сжигания угля, составили 12% от общего количества антропогенных выбросов ртути в атмосферу (45 Ч 105 кг / год), оцененных Нриагу и Пасиной (1988 год).
Свинец (Pb): Свинец, коррозионностойкий, плотный, пластичный и ковкий металл, является одним из микроэлементов, используемых людьми в течение, по меньшей мере, 5000 лет. Свинец был исторически использован для пигментов для остекления керамики, строительных материалов и труб для транспортировки воды. До начала 1900-х годов Pb использовался, прежде всего, для боеприпасов, латуни, облицовок для усыпальницы, керамических глазурей, свинцового стекла и кристаллов, красок или других защитных покрытий, оловянных и водяных линий и труб (USGS, 2006). С 1970-х до начала 2000-х годов Pb широко используется в производстве подшипниковых металлов, кабельных покрытий, свинцового уплотнения, припоев, свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, экранирования радиации в медицинском анализе и видеодисплея, и до 1980-х годов в качестве добавки в бензине. К середине 1980-х годов произошло значительное сокращение и/или ликвидация использования Pb в небатарейных продуктах, включая бензин, краски, припои и водные системы. К началу 2000-х годов общий спрос на Pb во всех типах свинцовых аккумуляторных батареях составлял 88% от общего потребления в США (USGS, 2006). Среди других значительных применений были боеприпасы (3%), оксиды в стекле и керамике (3%), литые металлы (2%) и листовой свинец (1%). Остальная часть расходуется на припои с металлами, латунными и бронзовыми заготовками, покрытие для кабеля, свинцового уплотнения и экструдированных изделий.
Свинец - высокотоксичный металл. Свинец может вызывать повреждения центральной нервной системы и, по-видимому, может повредить клетки, составляющие гематоэнцефалический барьер, который защищает мозг от многих вредных химических веществ. Он поглощается красными клетками крови и циркулирует по всему телу, где он концентрируется в мягких тканях, особенно в печени и почках. Свинец может вызывать целый ряд последствий для здоровья, от поведенческих проблем и проблем с обучением, до изъятий и смерти. Хроническая токсичность Pb является одной из основных проблем общественного здравоохранения в Соединенных Штатах, затрагивающих миллионы детей и взрослых, особенно тех, кто жил в старых домах с Pb-содержащими красками и в городских жилых районах с высоким трафиком. В 1978 году в США было около трех-четырех миллионов детей с повышенным уровнем Pb в крови (USEPA, 2006). К 2002 году это число сократилось до 310 000 детей, и оно продолжает снижаться. Дети в возрасте 6 лет и младше подвергаются наибольшему риску, так как их тела быстро растут. Основными источниками облучения Pb для большинства детей являются: ухудшение качества краски на основе Pb, загрязненной Pb пыли и загрязненной Pb жилой почвы.
Мировое производство свинца продолжало расти в начале 20-го века (рис. 1.4.), но затем замедлилось во второй половине 20-го века из-за прекращения добавления Pb в бензин.
Кадмий (Cd): Кадмий производится главным образом в качестве побочного продукта от добычи, плавки и переработки сульфидных руд цинка и в меньшей степени Pb и меди (USGS, 2006). Небольшие количества Cd, около 10% потребления, производятся из вторичных источников, главным образом из пыли, образующейся при утилизации чугуна и стального лома (USGS, 2006). Около трех четвертей потребления Cd используется в батареях; оставшаяся четверть используется для пигментов, покрытий и золочения, а также в качестве стабилизаторов для пластмасс (USGS, 2006). Кадмий также используется в фотографии, литографии, технологической гравировке, вулканизации резины и в качестве фунгицидов. Кадмий, потенциальный токсичный тяжелый металл без какой-либо известной биологической функции, присутствует в широком спектре потребительских товаров, и практически во всех домашних хозяйствах и отраслях промышленности есть продукты, которые содержат некоторое количество Cd.
Мировое производство Cd значительно возросло после 1950-х годов. Ежегодное мировое производство Cd стабилизировалось после середины 1970-х годов (рис. 1.4., табл. 1.1.).
Хром (Cr): Хром широко используется в современных индустриальных обществах. Хром используется в железе, стали и цветных сплавах, поскольку он повышает прокаливаемость и устойчивость к коррозии и окислению. Производство нержавеющей стали и цветных сплавов с Cr являются двумя из наиболее важных областей применения (USGS, 2006). Хром также используется в легированной стали, металлизации, пигментах, обработке кожи, катализаторах, обработке поверхности и огнеупорах (USGS, 2006). Таким образом, Cr стал общей составной частью разнообразных отходов и находится в различных концентрациях примерно на одной трети мест суперфонда в США.
Антропогенные источники Cr включают в себя переработку руды, производство стали и сплавов, производство пигментов, металлизацию/металл, ингибирование коррозии, кожевенный загар, консервацию древесины и сжигание угля и нефти. Поскольку шестивалентный Cr менее адсорбирован почвой и минералами и очень хорошо растворим в почвах и водоносных горизонтах, он легко попадает в источники воды и водотоки, что создает большие риски для людей и домашнего скота. Гексавалентный Cr классифицируется как первичный токсичный и мутагенный загрязнитель.
Мировое производство Cr увеличилось с начала XX века и значительно увеличилось с 1975 по 1990 год (рис. 1.4.) в основном из-за широкомасштабного использования в военных целях.
Рисунок 1.4. - Измеренное и приспособленное мировое годовое производство металла. Измеренные данные о ежегодном производстве металла в мире были собраны из информации Геологической службы США - информация о полезных ископаемых, 1997 год; Адриано, 1986 год; Woytinsky and Woytinsky, 1953. Производство хрома рассчитывалось исходя из производства хромита, предполагая в среднем 27,0% Cr. Установленные данные Cd до 1963 г. были рассчитаны на основе мирового годового производства Zn (Cd в основном в качестве побочного продукта) (после Han et al., 2002a). Перепечатано из Naturwissenschaften 89, Han FX, Banin A., Su Y., Monts DL, Plodinec MJ, Kingery WL, Triplett GB, антропогенные входы антропогенного происхождения тяжелых металлов в педосферу, p499, Copyright (2002), с любезного разрешения Springer Science and Business Media)
Никель (Ni) / медь (Cu) / цинк (Zn): Никель обладает смесью свойств черных и цветных металлов, а сплавы на основе никеля характеризуются коррозионной стойкостью. Поэтому Ni широко используется в нержавеющей стали (около 65% никеля, потребляемого в Западном мире) и суперсплавах / цветных сплавах (12%). Турбинные лопасти, диски и другие критические части реактивных двигателей и турбины сгорания на суше изготавливаются из суперсплавов и суперсплавов на основе Ni. Остальные 23% потребления применяются в легированных сталях, перезаряжаемых батареях, катализаторах и других химических веществах, монетах, литейных изделиях и покрытии (USGS, 2006).
Медь - один из старейших металлов, когда-либо использовавшихся, и был одним из важных материалов в развитии цивилизации (USGS, 2006). Из-за его высокой пластичности, ковкости, тепло- и электропроводности и коррозионной стойкости, Cu стал основным промышленным металлом после железа и алюминия по количеству потребляемого материала. Медь широко используется в электропередачах и генераторах, в строительстве электропроводки и строительства, телекоммуникаций, электротехнической и электронной продукции. Кроме того, Cu широко используется в сельском хозяйстве в качестве компонента в удобрениях, бактерицидах, фунгицидах и альгицидах, а также в кормах для животных (Han et al., 2000, Han et al., 2001b, c).
Мировое производство цинка занимает четвертое место среди всех металлов после железа, алюминия и меди. Цинк широко используется в различных областях: от металлических изделий (покрытие и легирование), резиновых, химических, лакокрасочных, сельскохозяйственных производств, в медицине. Цинк в качестве покрытия используется для защиты железа и стали от коррозии (оцинкованный металл), в качестве легирующего металла для изготовления бронзы и латуни, в качестве сплава для литья под давлением на основе Zn и в качестве проката Zn. И Cu, и Zn также являются важными микроэлементами для правильного роста и развития человека, животных и растений.
Мировое производство Ni, Cu и Zn возросло в начале XX века, а Ni и Cu значительно увеличились с 1960 по 2000 год (рис. 1.4.). После 1980-х годов мировое производство Zn затем уменьшилось.
Вообще, мировое производство для восьми изученных микроэлементов возрастало экспоненциально. Годовое производство микроэлементов в следующем порядке: Cu> Zn> Pb> Cr >> Ni >> As >> Cd> Hg (рис.1.1-1.4). Из них наибольший рост годового производства Cr наблюдался с начала XX века, а Cd - медленнее. Производство свинца стабилизировалось, а производство ртути сокращалось после 1970-х годов. Валовой объем производства колебался с 1925 по 2000 год. Темпы прироста годового производства микроэлементов с начала 20-го века находятся в следующем порядке: Cr >> Cu> Zn> Pb> Ni> As> Cd> Hg (рис. 1.1-1.4) .
Заключение
Запасы микроэлементов, оцененные здесь с индустриального века, явно указывают на то, что большое количество источников микроэлементов было произведено и рассеяно в педосфере. В 2000 году общее антропогенное глобальное производство As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb и Zn в совокупном промышленном возрасте составило 4,53, 1,1, 105, 451, 0,64, 36, 235 и 354 миллиона метрических тонн, соответственно. Соотношение потенциального вклада антропогенного микроэлемента в его содержание в мировой почве в 2000 г. составило 0,3, 1,0, 0,4, 5,6, 8,7, 0,7, 4,2 и 3,5 для As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb и Zn , соответственно. Общее количество микроэлементов на душу населения составляло 0,7, 0,18, 17,3, 74,2, 0,10, 5,9, 38,6 и 58,2 кг для As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb и Zn соответственно.
В отличие от большинства органических загрязнителей, микроэлементы накапливаются в педосфере, когда они попадают в почвенно-водные экосистемы. Техническое обслуживание рекультивации загрязненных почв является сложным, дорогостоящим и трудоемким процессом. Наиболее эффективным подходом к контролю загрязнения микроэлементов в педосфере является контроль антропогенных источников загрязнения при добыче, переработке, производстве, рециркуляции и утилизации отходов микроэлементов. Необходимо постоянно совершенствовать технологию промышленной переработки, чтобы снизить уровень дисперсии микроэлементов в окружающей среде. Устаревшие продукты, содержащие побочные продукты и отходы должны постоянно перерабатываться. Наконец, ожидается, что будут разработаны новые материалы-заменители для микроэлементов, чтобы в конечном итоге заменить и ограничить использование микроэлементов в нашей цивилизации. Разработать заменяющие прикладные материалы для замены As в сельском хозяйстве и лесном хозяйстве, так и для контроля выбросов ртути и As от угольной промышленности будут значительно уменьшаться источники загрязнения и рассеивания в окружающей среде. Кроме того, для загрязненных микроэлементами почв и воды в результате тысячелетней человеческой цивилизации необходимо комплексное химическое восстановление, фиторемедиация, технологии инженерной реабилитации и современная генетика, чтобы снизить биодоступность, подвижность и токсичность микроэлементов в экосистемах.
Библиографический список
1. Адриано Д.К. Микроэлементы в земной среде. Нью-Йорк: Springer, 1986 и 2001 гг.
2. Baur W.H., Onishi H. «Мышьяк» В Справочнике по геохимии II (3): 33., Wedepohl K.H., ed. Berlin: Springer, 1969.
3. Bowen H.J.M. Экологическая химия элементов. Нью-Йорк: Academic Press, 1979.
4. Bragg L.J., Oman J.K., Tewalt S.J., Oman C.L., Rega N.H., Washington P.M., Финкельман Р.Б. База данных по качеству угля (COALQUAL), версия 2.0. U.S. Geol. Обзор открытого файла отчета 97-134, 1998.
5. Chilvers D.C., Peterson P.J. «Глобальный цикл мышьяка». В свинец, ртуть и мышьяк в окружающей среде, T.C. Хатчинсон, К.М. Meema, eds. Нью-Йорк: Джон Вайли. 1987 год.
6. Clarke L.B., Sloss L.L. Микроэлементы - выбросы от сжигания угля и газификации. Лондон: исследование МЭА по углю, 1992 год.
7. CNN. Предупреждения о токсине растут для рыбы в США. Атланта, Джорджия, США: CNN.com, 25 августа 2004 г.
8. Ebinghaus R., Tripathi RM, Wallschlager, Lindberg SE «Природные и антропогенные источники ртути и их влияние на обмен воздушной поверхностью ртути в региональном и глобальном масштабах». На загрязненных ртутью площадках: характеристика, оценка риска и ремедиация, Р. Эбингхаус , Р. Р. Тернер, Л.Д. Ласерда, О. Васильев, В. Саломонс, ред. Берлин: Springer-Verlag, 1999.
9. Эдельштейн Д. Мышьяк. В: Минеральные Факты и Проблемы, Издание 1985 года. BuMines B., 1985.
10. Управление энергетической информацией (2001) Международная база данных по энергетике. Департамент энергетики США: Вашингтон, округ Колумбия.
11. Fitzgerald W.F. Увеличивается ли ртуть в атмосфере, возникает необходимость в сети атмосферной ртути. Водная воздушная почва, загрязнение 1995; 80: 245-254.
12. Galbreath K.C., Zygarlicke C.J. Видообразование ртути при сжигании угля и газификации дымовых газов. Environ Sc Technol 1996; 30: 2421-2426.
13. Goyer R.A., Klaassen C.D., Waalkes M.P. Металлотоксичность. Сан-Диего, Калифорния: Academic Press, 1995.
14. Хан Ф.Х., Банин А. Долгосрочные превращения Cd, Co, Cu, Ni, Zn, V, Mn и Fe в аридных зонах в условиях насыщения. Commun Scil Plant Anal 2000; 31: 943-957.
15. Хан Ф.Х., Банин А. Дробная изотерма тяжелых металлов в аридной зоне. Commun Scil Plant Anal 2001; 32 (17 и 18): 2691-2708.
16. Han F.X., Banin A., Kingery W.L., Li Z.P. Пути и кинетика превращения кобальта среди твердофазных компонентов в аридных зонах. J Environ Sci Health, Part A 2002b; 137: 175-194oC.
17. Han F.X., Banin A., Kingery W.L., Triplett G.B., Zhou L.X., Zheng S.J., Ding W.X. Новый подход к исследованиям перераспределения тяжелых металлов в почвах. Adv Environ Res 2003a; 8: 113-120.
18. Han F.X., Banin A., Su Y., Monts D.L., Plodinec M.J., Kingery W.L., Triplett G.B. Индустриальный возраст антропогенного вклада тяжелых металлов в педосферу. Naturwissenschaften 2002a; 89: 497-504.
19. Harriss R.C., Hohenemser C. Mercury: Измерение и управление риском. Environ 1978; 20: 25-36.
20. Hutchinson T.C., Meema K.M., свинец, ртуть, кадмий и мышьяк в окружающей среде. Нью-Йорк: Wiley, 1987.