Химия окружающей среды
Покупка
Тематика:
Отраслевая и прикладная экология
Издательство:
Профессия
Автор:
Маганян Стенли Е.
Под ред.:
Мякин С. В.
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 1024
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-91884-090-0
Артикул: 720218.01.99
В расширенном и дополненном 9-м издании приведена классификация определений и понятий экологической химии, включая систематическое рассмотрение химии атмосферы, водной среды, геосферы и геохимии, биосферы, промышленной экологии и токсикслогаческой химии. Показаны связь экологической химии и «зеленой» химии, использование промышленной экологии для минимизации и утилизации отходов; приведен обзор химического анализа атмосферы, воды и сточных вод. Специальные главы посвящены химии отходов, анализу загрязняющих веществ, дисперсионным частицам в атмосфере, токсикологической химии. Особо ценными являются разделы, освещающие анализ отходов и загрязняющих веществ в основных средах, выяшгение следовых компонентов, анализ биологических веществ. Материал книги изложен последовательно; каждая глава завершается постановкой вопросов и проблем, а также списком дополнительных источников. Более 40 лет книга служит надежным учебником и руководством по экологической химии для экологов, специалистов по промышленной экологии, аналитиков, студентов и преподавателей профильных вузов.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ENVIRONMENTAL CHEMISTRY NINTH EDITION STANLEY E. MANAHAN CRC Press xM* J Taytorb Francis Croup Boca Raton London №wYork CRC Press is an imprintof tha Taybr & Francis Croup, an Informa business
Стенли Е. Манатам ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Перевод с английского языка 9-го издания под редакцией С. В. Мякина 7 В о D Санкт-Петербург 2018 ЦЕНТР ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОФЕССИЯ
УДК 504.75 ББК20.1 М23 Стенли Е. Мана г ан Химия окружающей среды : пер. с англ. яз. 9-го изд.; под ред. С. В. Мякина. — СПб. : ЦОП «Профессия», 2018. — 1024 с., ил. ISBN 978-5-91884-090-0 ISBN 978-1-4200-5920-5 (англ.) В расширенном и дополненном 9-м издании приведена классификация определений и понятий экологической химии, включая систематическое рассмотрение химии атмосферы, водной среды, геосферы и геохимии, биосферы, промышленной экологии и токсикологической химии. Показаны связь экологической химии и «зеленой» химии, использование промышленной экологии для минимизации и утилизации отходов; приведен обзор химического анализа атмосферы, воды и сточных вод. Специальные главы посвящены химии отходов, анализу загрязняющих веществ, дисперсионным частицам в атмосфере, токсикологической химии. Особо ценными являются разделы, освещающие анализ отходов и загрязняющих веществ в основных средах, выявление следовых компонентов, анализ биологических веществ. Материал книги изложен последовательно; каждая глава завершается постановкой вопросов и проблем, а также списком дополнительных источников. Бо-лсс40лст книга служит надежным учебником и руководством по экологической химии для экологов, специалистов по промышленной экологии, аналитиков, студентов и преподавателей профильных вузов. УДК 504.75 ББК 20.1 ©АП Rights Reserved. Authorized translation from English language edition published byCRC Press, an imprint of Taylor & Francis Group LLC. Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы тони было форме без письменного разрешения владельцев авторских, прав. Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательствам как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений ине несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги ISBN 978-1-4200-5920-5 (англ.) © 2010 by Taylor & Francis Group, LLC ISBN978-5-91884-090-0 © ЦОП «Профессия», 2018 © Перевод, оформление: ЦОП «Профессия», 2018
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие..................................................................15 Об авторе....................................................................18 Глава 1. НАУКАОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ И ЕЕ УСТОЙЧИВ ОСТИ.........................19 1.1. От солнечной энергии к ископаемому топливу и обратно.................19 1.2. Наука об устойчивом развитии.........................................22 1.3. Химия и окружающая среда.............................................24 1.4. Вода, воздух, земля, жизнь и развитие со временных технологий...............25 1.5. Экология, экотоксикология и биосфера.................................29 1.6. Энергия и энергетические циклы.......................................31 1.7. Антропогенное влияние и загрязнение..................................34 1.8. Перенос химических веществ, их превращения и конечные состояния......35 1.9. Превращения и перенос химических веществ в атмосфере, гидросфере и геосфере.40 1.10. Экологическое вредительство и терроризм.............................42 1.11. Экологическая экспертиза............................................44 Библиографический список..................................................45 Рекомецдуемая литература..................................................45 Вопросы и задачи..........................................................46 Пива 2. ХИМИЯ И АНТРОПОСФЕРА: ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И «ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ»... 48 2.1. Экологическая химия..................................................48 2.2. Материя и ее циклы...................................................50 2.3. Антропосфера и экологическая химия...................................57 2.4. Технологии и антропосфера............................................59 2.5. Инфраструктура.......................................................62 2.6. Компоненты антропосферы, оказывающие влияние на окружающую среду.....66 2.7. Влияние антропосферы на Землю........................................68 2.8. Интеграция антропосферы в окружающую среду...........................69 2.9. 3 еленая химия.......................................................72 Библиографический список..................................................76 Рекомецдуемая литература..................................................76 Вопросы и задачи..........................................................78 ГлаваЗ. ОСНОВЫ ХИМИИ ВОДЫ....................................................80 3.1.3 начение воды.......................................................80 3.2. Вода: от молекул до океанов..........................................81 3.3. Характеристики водоемов..............................................86 3.4. Жизнь в воде.........................................................88 3.5. Введение в химию воды................................................89 3.6. Газы вводе...........................................................91 3.7. Кислотность воды и содержание в ней диоксцда углерода................93 3.8. Щ елочность..........................................................97 3.9. Кальций и другие металлы в воде.....................................100
Оглавление 3.10. Комплексообразование и хелатообразование..........................105 3.11. Связывание и структура комплексов металлов.................................108 3.12. Расчет концентраций соединений....................................109 3.13. Комплексообразование с де протонированным и лигандами.............110 3.14. Комплексообразование с протонированными лигацдами.................111 3.15. Растворение иона свинца из твердых веществ с участием НТА.........114 3.16. Полифосфаты и фосфонаты в воде....................................118 3.17. Комплексообразование с участием гуминовых соединений..............121 3.18. Комплексообразование и окислительно-восстановительные процессы....123 Библиографический список................................................124 Рекомендуемая литература................................................124 Вопросы и задачи........................................................125 Глава 4. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ХИМИИ ВОДЫ ... 128 4.1. Значение окислительно-восстановительных процессов..................128 4.2. Электрон и окислительно-восстановительные реакции..................131 4.3. Активность электрона и рЕ..........................................133 4.4. Уравнение Нернста..................................................134 4.5. Тенденции в реакциях: от полуреакций к полной реакции..............135 4.6. Уравнение Нернста и химическое равновесие..........................137 4.7. ВзаимосвязьрЕ и свободной энергии..................................138 4.8. Представление реакций в пересчете на один электрон-моль............139 4.9. Предельные значения ре в воде......................................142 4.10. Значения рЕ в природных водных системах...........................144 4.11. Диаграммы рЕ— pH................................................ 144 4.12. Гуминовые соединения в качестве природных восстановителей.........148 4.13. Фотохимические процессы окисления-восстановления..................149 4.14. Коррозия..........................................................150 Библиографический список................................................151 Рекомендуемая литература................................................151 Вопросы и задачи........................................................152 Глава 5. МЕЖФАЗНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ХИМИИ ВОДЫ.............................154 5.1. Химические взаимодействия с участием твердых веществ, газов и воды.154 5.2. Значение осадков и их образование..................................155 5.3. Растворимость......................................................158 5.4. Коллоцдные частицы в воде..........................................161 5.5. Коллоцдные свойства глин...........................................167 5.6. Агрегирование частиц...............................................168 5.7. Сорбция на поверхности твердых веществ.............................171 5.8. Обмен растворимыми веществами между раствором и донными осадками...173 5.9. «Внутренняя* вода..................................................179 5.10. Межфазные взаимодействия при превращениях химических веществ и их переносе.180 Библиографический список................................................183 Рекомендуемая литература................................................184 Вопросы и задачи........................................................185 Глава 6. МИКРОБИОХИМИЯ ВОДЫ................................................187 6.1. Биохимические процессы в воде......................................187 6.2. Водоросли..........................................................189 6.3. Грибы..............................................................191
Оглавление 7 6.4. Простейшие микроорганизмы............................................192 6.5. Бактерии.............................................................193 6.6. Прокариотические бактериальные клетки................................195 6.7. Кинетика роста бактерий..............................................196 6.8. Метаболизм бактерий..................................................198 6.9. Микробиологические превращения углерода..............................203 6.10. Биоразложение органических веществ..................................206 6.11. Микробиологические превращения азота..............................210 6.12. Микробиологические превращения фосфора и серы.......................215 6.13. Микробиологические превращения галогенов и органических галогенцдов.218 6.14. Микробиологические превращения металлов и металлоидов...............219 Библиографический список..................................................223 Рекомендуемая литература..................................................224 Вопросы и задачи..........................................................224 1km 7. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ.......................................................229 7.1. Природа и типы загрязняющих веществ в воде...........................229 7.2. Элементарные загрязняющие вещества...................................231 7.3. Тяжелые металлы......................................................233 7.4. Металлоцды...........................................................236 7.5. Металлы и металлоцды, связанные в органические соединения............237 7.6. Неорганические соединения............................................239 7.7. Питательные вещества для водорослей и эвтрофикация...................241 7.8. Кислотность, щелочность и соленость..................................243 7.9. Кислород окислители и восстановители.................................244 7.10. Органические загрязняющие вещества..................................246 7.11. Загрязнение воды пестиццдами........................................253 7.12. Полихлор би фен илы.................................................265 7.13. Новые загрязняющие вещества в воде, фармацевтические препараты и загрязнение воды бытового назначения..................................266 7.14. Р адионуклцды в водной среде........................................272 Библиографический список..................................................277 Рекомендуемая литература..................................................278 Вопросы и задачи..........................................................279 1km 8. ОБРАБОТКА ВОДЫ.........................................................282 8.1. Обработка и использование воды.......................................282 8.2. Обработка воды, используемой в городском хозяйстве...................282 8.3. Обработка вод промышленного назначения...............................283 8.4. Обработка канализационных стоков.....................................285 8.5. Обработка промышленных сточных вод...................................292 8.6. Удаление твердых веществ.............................................294 8.7. Удаление кальция и других металлов...................................297 8.8. Удаление растворенных органических веществ...........................304 8.9. Удаление растворенных неорганических веществ.........................306 8.9. Обратный осмос.......................................................308 8.10. Иловые осадки.......................................................312 8.11. Дезинфекция воды....................................................314 8.12. Природные процессы очистки воды.....................................318 8.13. Экологичное водопотребление.........................................320
Оглавление 8.14. Экономия воды....................................................325 8.15. Защита систем водоснабжения от террористических угроз............326 Библиографический список...............................................327 Рекомендуемая литература...............................................328 Вопросы и задачи.......................................................328 Глава 9. АТМОСФЕРА И ЕЕ ХИМИЯ..............................................331 9.1. Введение..........................................................331 9.2. Значение атмосферы................................................336 9.3. Физические характеристики атмосферы...............................337 9.4. Перенос энергии в атмосфере.......................................340 9.5. Атмосферный массоперенос, метеорология и погода...................344 9.6. Инверсия и загрязнение воздуха....................................351 9.7. Глобальный климат и микроклимат...................................352 9.8. Химические и фотохимические реакции в атмосфере...................355 9.9. Кислотно-основные реакции в атмосфере.............................365 9.10. Реакции атмосферного кислорода...................................366 9.11. Реакции атмосферного азота.......................................367 9.12. Атмосферная влага................................................368 9.13. Влияние антропосферы.............................................369 9.14. Химические превращения и перенос веществ в атмосфере.............369 Библиографический список...............................................372 Рекомендуемая литература...............................................372 Вопросы и задачи.......................................................373 Пива 10. ДИСПЕРСНЫЕ ЧАСТИ ЦЫ В АТМОСФЕРЕ...................................375 10.1. Введение.........................................................375 10.2. Физическое поведение частиц в атмосфере..........................377 10.3. Физические процессы образования частиц...........................379 10.4. Химические процессы образования частиц...........................380 10.5. Состав неорганических частиц.....................................383 10.6. Токсичные металлы в атмосфере....................................386 10.7. Радиоактивные частицы............................................388 10.8. Состав органических частиц.......................................389 10.9. Воздействие частиц...............................................391 10.10. Вода в дисперсном состоянии.....................................392 10.11. Атмосферные химические реакции с участием частиц................394 10.12. Снижение выбросов частиц в атмосферу............................396 Библиографический список...............................................399 Рекомендуемая литература...............................................400 Вопросы и задачи.......................................................400 Глава 11. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ГАЗООБРАЗНЫЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА В АТМОСФЕРЕ.......................................................403 11.1. Неорганические загрязняющие газы.................................403 11.2. Образование оксида углерода и снижение его содержания............403 11.3. Превращения оксида углерода в атмосфере..........................404 11.4. Источники диоксида серы и цикл превращений серы..................405 11.5. Реакции диоксида серы в атмосфере................................407 И .6. Оксцды азота в атмосфере.........................................413 И .7. Кислотные дожди..................................................422
Оглавление 9 11.8. Аммиак в атмосфере...............................................422 11.9. Фтор, хлор и их газообразные соединения..........................423 11.10. Восстановительные сернистые газы................................425 Би б ли о гр аф иче ский сп и сок......................................428 Рекомендуемая литература...............................................428 Вопросы и задачи.......................................................429 Глава 12. ОРГАНИЧЕСКИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА В .АТМОСФЕРЕ..................431 12.1. Органические соединения в атмосфере..............................431 12.2. Биогенные органические соединения................................432 12.3. Углеводородные загрязняющие вещества.............................436 12.4. Карбонильные соединения: альдегиды и кетоны......................441 12.5. Прочие кислородсодержащие соединения.............................444 12.6. Органические соединения азота....................................448 12.7. Галогенорганические соединения...................................451 12.8. Органические соединения серы.....................................457 12.9 .Дисперсные органические соединения...............................458 12.10. Вредные загрязняющие органические соединения в атмосфере........459 Библиографический список...............................................462 Рекомендуемая литература...............................................462 Вопросы и задачи.......................................................463 Глава 13. ФОТОХИМИЧЕСКИЙ СМОГ..............................................465 13.1. Введение.........................................................465 13.2. Выбросы, приводящие к образованию смога..........................466 13.3. Реакции органических соединений в атмосфере, приводящие к образованию смога.472 13.4. Обзор процессов образования смога................................475 13.5. Механизмы образования смога......................................477 13.6. Реакционная способность угле водороде в..........................485 13.7. Неорганические соединения в составе смога........................486 13.8. Воздействие смога............................................... 487 Би б ли о гр аф иче ский сп и сок...............................................490 Рекомецлуемая литература........................................................491 Вопросы и задачи................................................................491 Глава 14. ФАКТОРЫ ГЛОБАЛЬНОЙ УГРОЗЫ В .АТМОСФЕРЕ...........................494 14.1. Изменение климата и антропогенные эффекты........................494 14.2. Глобальное потепление............................................497 14.3. Мероприятия -(зеленой» науки и технологии борьбы с глобальным потеплением.503 14.4. Кислотные дожди..................................................509 14.5. Разрушение озона в стратосфере...................................513 14.6. Коричневые облака в атмосфере....................................519 14.7. Вред, причиняемый атмосфере фотохимическим смогом................522 14.8. Ядерная зима.....уС..............................................526 14.9. Что делать?......................................................529 Библиографический список...............................................532 Рекомендуемая литература...............................................532 Вопросы и задачи.......................................................533 Глава 15. ГЕОСФЕРА И ГЕОХИМИЯ..............................................535 15.1. Введение.........................................................535
Оглавление 15.2. Природа твердых веществ в геосфере................................537 15.3. Физическая форма геосферы.........................................541 15.4. Внутренние процессы...............................................544 15.5. Отложения.........................................................546 15.6. Глины.............................................................548 15.7. Геохимия..........................................................550 15.8. Грунтовые воды в геосфере.........................................552 15.9. Экологические аспекты геосферы....................................556 15.10. Землетрясения....................................................558 15.11. Вулканы......................................................... 560 15.12. Подвижки грунта..................................................562 15.13. Явления, связанные сводными потоками.............................564 15.14. Явления на границе раздела «земля — океан».......................566 15.15. Явления на границе раздела «земля — атмосфера»...................569 15.16. Влияние лада.....................................................570 15.17. Влияние деятельности человека....................................571 15.18. Геосфера и загрязнение воздуха...................................573 15.19. Геосфера и загрязнение воды......................................575 15.20. Геосфера и утилизация отходов....................................575 Библиографический список................................................578 Рекомендуемая литература................................................578 Вопросы и задачи........................................................579 1km 16. ПОЧВА И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ....................581 16.1. Почва и сельское хозяйство........................................581 16.2. Природа и состав почвы............................................584 16.3. Кислотно-основные и ионообменные реакции в почвах.................593 16.4. Питательные макроэлементы в почве.................................596 16.5. Азот, фосфор и калий в почве......................................597 16.6. Питательные микроэлементы в почве.................................601 16.7. Удобрения.........................................................603 16.8. Загрязнения, вызванные животноводством............................606 16.9. Пестиццды и их остатки в почве....................................606 16.10. Отходы и загрязняющие вещества в почве...........................609 16.11. Потери и деградация почвы........................................612 16.12. Сохранение почвы.................................................614 16.13. Генная инженерия и сельское хозяйство............................617 16.14. -('Зеленая» химия и устойчивость сельского хозяйства.............619 16.15. Сельское хозяйство иадоровье.....................................623 16.16. Защита системы снабжения продуктами питания от террористических угроз.624 Библиографический список.....................................................625 Р е ком ендуем ая литер атур а...............................................625 Вопросы и задачи.............................................................627 1km 17. ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ...............................629 17.1. Отход от старых неправильных способов..................................629 17.2. 3 еленая химия.........................................................63 0 17.3. Снижение рисков: опасность и длительность воздействия.............633 17.4. Предотвращение образования отходов и зеленая химия................637 17.5. 3 еленая химия и синтетическая химия..............................638
Оглавление 11 17.6. Сырье.................................................................640 17.7. Реагенты..............................................................643 17.8. Стехиометрические и каталитические реагенты...........................646 17.9. Среды и растворители..................................................647 17.10. Интенсификация реакций..............................................652 17.11. Промышленная экология...............................................655 17.12. Пять основных компонентов промышленной экосистемы....................657 17.13. Промышленный метаболизм.............................................660 17.14. Материальные потоки и рециклинг в промышленной экосистеме............661 17.15. Промышленная экосистема Калуцдборга.................................662 17.16. Анализ воздействия на окружающую среду в промышленной экологии.......664 17.17. Жизненные циклы: расширение и замыкание циклов материальных потоков.666 17.18. Оценка жизненных циклов..............................................669 17.19. Расходная, повторно используемая и сервисная ^долговечная) продукция.671 17.20. Экологическое проектирование.........................................673 17.21. Внутренняя безопасность..............................................676 17.22. Промышленная экология и экологический инжиниринг.....................678 Библиографический список....................................................679 Рекомендуемая литература....................................................679 Вопросы и задачи............................................................681 Глава 18. РЕСУРСЫ И УСТОЙЧИВЫЕ МАТЕРИАЛЫ........................................684 18.1. Где достать необходимые материалы?....................................684 18.2. Минералы в геосфере............................................... 685 18.3. Добыча и извлечение...................................................687 18.4. Металлы...............................................................689 18.5. Источники металлов и промышленная экология............................692 18.6. Неметаллические минеральные ресурсы...................................698 18.7. Фосфаты...............................................................699 18.8. Сера..................................................................701 18.9. Древесина: важнейший возобновляемый ресурс............................702 18.10. Расширение ресурсов при помощи методов промышленной экологии.........703 Библиографический список....................................................706 Рекомендуемая литература....................................................707 Вопросы и задачи............................................................707 Глава 19. УСТОЙЧИВАЯ ЭНЕРГЕТИКА КЛЮЧ К РЕШЕНИЮ ВСЕХ ПРОБЛЕМ....................709 19.1. Энергетическая проблема...............................................709 19.2. Природа энергии.......................................................710 19.3. Источники энергии, используемые в антропосфере........................711 19.4. Устройства и способы преобразования энергии...........................714 19.5. Зеленые технологии и эффективность преобразования энергии.............720 19.6. Экономия энергии и ее возобновляемые источники........................721 19.7. Нефть и природный газ.................................................725 19.8. Каменный уголь........................................................727 19.9. Секвестрация углерода для использования ископаемого топлива...........729 19.10. Промышленная экология в энергетике и химии...........................732 19.11. Ядерная энергия......................................................734 19.12. Геотермальная энергия................................................737 19.13. Солнце: цдеальный возобновляемый источник энергии....................738
Оглавление 19.14. Энергия движения воздушных и водных масс.............................742 19.15. Энергия биомассы.....................................................746 19.16. Водород как средство хранения и использования энергии................755 19.17. Комплексные энергетические циклы.....................................756 19.18. Промышленная эколо гия в производстве метана.........................757 Библиографический список....................................................758 Рекомендуемая литература....................................................759 Вопросы и задачи............................................................760 Пгава20. ПРИРОДА, ИСТОЧНИКИ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ОПАСНЫХ ОТХОДОВ... 7 62 20.1. Введение..............................................................762 20.2. Классификация опасных веществ и отходов...............................765 20.3. Источники отходов.....................................................767 20.4. Легковоспламеняющиеся и горючие вещества..............................770 20.5. Вещества с высокой реакционной способностью...........................774 20.6. Коррозионно-активные вещества.........................................777 20.7. Токсичные вещества....................................................778 20.8. Физическое состояние и разделение отходов.............................779 20.9. Экологическая химия опасных отходов...................................780 20.10. Физические и химические свойства опасных отходов.....................781 20.11. Перенос, воздействие, превращения и накопление опасных отходов.......782 20.12. Опасные отходы и антропосфера........................................785 20.13. Опасные отходы в геосфере............................................786 20.14. Опасные отходы в гцдросфере..........................................789 20.15. Опасные отходы в атмосфере...........................................791 20.16. Опасные отходы в биосфере............................................793 20.17. Опасные вещества и терроризм.........................................796 Библиографический список....................................................800 Рекомендуемая литература....................................................800 Вопросы и задачи............................................................801 Глава 21. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКОЛОГИИ ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ, УТИЛИЗАЦИИ И ОБРАБОТКИ ОТХОДОВ.............................804 21.1. Введение..............................................................804 21.2. Уменьшение и минимизация отходов......................................805 21.3. Рециклинг.............................................................807 21.4. Физические методы обработки отходов...................................812 21.5. Химическое разделение: общие положения................................817 21.6. -('Зеленые» технологии обработки отходов методами фотолиза и сонолиза.824 21.7. Методы термической обработки..........................................825 21.8. Биоразложение отходов.................................................830 21.9. Фито восстановление...................................................833 21.10. Обработка почвой и компостирование...................................834 21.11. Подготовка отходов к утилизации......................................835 21.12. Окончательная утилизация отходов.....................................839 21.13. Просачивание фильтрата и выбросы газов...............................842 21.14. 0 бработка in situ...................................................843 Би б ли о гр аф иче ский сп и сок.......................................847 Рекомендуемая литература....................................................847 Вопросы и задачи............................................................849
Оглавление 13 Глава22. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ...........................................851 22.1. Биохимия.........................................................851 22.2. Биохимия и клетка................................................852 22.3. Белки............................................................854 22.4. Угле воды.......................................................85 8 22.5. Липиды...........................................................860 22.6. Ферменты.........................................................864 22.7. Нуклеиновые кислоты..............................................867 22.8. Рекомбинантная ДНК. и генная инженерия...........................870 22.9. Метаболические процессы..........................................871 22.10. Метаболизм ксенобиотиков........................................872 Библиографический список...............................................874 Рекомендуемая литература...............................................874 Вопросы и задачи.......................................................875 Глава23. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ..........................................877 23.1. Введение в токсикологию и токсикологическую химию................877 23.2. Взаимосвязь {едоза — реакция»................................... 880 23.3. Относительная токсичность........................................881 23.4. Обратимость и чувствительность...................................884 23.5. Ксенобиотики и эцдогенные вещества...............................884 23.6. Токсикологическая химия..........................................885 23.7. Кинетическая и динамическая фазы.................................888 23.8. Тератогенез, мутагенез, канцерогенез и воздействие на иммунную и репродуктивную системы..............................................891 23.9. Опасность дия здоровья...........................................899 Библиографический список...............................................901 Рекомендуемая литература...............................................901 Вопросы и задачи.......................................................903 Птава24. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ВЕЩЕСТВ..................................904 24.1. Введение.........................................................904 24.2. Элементарные токсичные вещества и их формы.......................907 24.3. Токсичные неорганические соединения..............................909 24.4. Токсикология органических соединений.............................917 24.5. Природные токсичные вещества.....................................938 Библиографический список...............................................938 Рекомендуемая литература...............................................939 Вопросы и задачи.......................................................940 Птава25. ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОДЫ И СТОЧНЫХ ВОД.............................942 25.1. Общие аспекты экологического химического анализа.................942 25.2. Классические методы..............................................944 25.3. Спектрофотометрические методы....................................945 25.4. Электрохимические методы анализа.................................950 25.5. Хроматография....................................................952 25.6. М а со спектрометрия.............................................956 25.7. Анализ проб воды.................................................957 25.8. Автоматизированный анализ воды...................................965 25.9. Специфические примеси............................................965
Оглавление 25.10. Появление и а нал из но вых загрязняющих веществ вводе.............966 25.11. Хиральные загрязняющие вещества...................................968 Библиографический список.................................................968 Р еком е ндуем ая л итер атура............................................9 69 Вопросы и задачи.........................................................970 Глава26. АНАЛИЗ ОТХОДОВ И ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ...................................971 26.1. Введение...........................................................971 26.2. Гидролитическое разложение образца для элементного анализа.........972 26.3. Отделение определяемых веществ при анализе органических соединений.973 26.4. Очистка образцов...................................................976 26.5. Подготовка образцов к анализу летучих органических соединений......977 26.6. Биологический и иммунологический анализ отходов....................979 26.7. Определение хелатообразующих агентов...............................980 26.8. Определение токсичности методом выщелачивания......................981 Библиографический список.................................................983 Р еком е ндуем ая л итература............................................983 Вопросы и задачи.........................................................984 Глава 27. АНАЛИЗ АТМОСФЕРЫ И ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВОЗДУХ ВЕЩЕСТВ....................985 27.1. Мониторинг атмосферы...............................................985 27.2. Отбор проб.........................................................986 27.3. Методы анализа.....................................................989 27.4. Определение содержания ди о ксцд а серы............................990 27.5. Оксиды азота.......................................................992 27.6. Анализ окислителей.................................................993 27.7. Определение оксцда углерода........................................994 27.8. Определение содержания углеводородов и органических соединений.....996 27.8. Анализ твердых примесей............................................997 27.10. Прямой спектрофотометрический анализ газообразных загрязняющих веществ в воздухе.................................................1002 Библиографический список................................................1004 Рекомендуемая литература................................................1004 Вопросы и задачи........................................................1005 Глава 28. АНАЛИЗ БИОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И КСЕНОБИОТИКОВ........1007 28.1. Введение..........................................................1007 28.2. Индикаторы воздействия ксенобиотиков..............................1008 28.3. Определение металлов..............................................1010 28.4. Определение неметаллов и органических соединений..................1011 28.5. Определение исходных органических соединений......................1012 28.6. Количественное определение продуктов реакции I и II фазы..........1013 28.7. Определение аддуктов..............................................1018 28.8. Перспективы иммунологических метод о в............................1020 Библиографический список................................................1021 Рекомендуемая литература................................................1021 Вопросы и задачи........................................................1022
ПРЕДИСЛОВИЕ Девятое издание «Химии окружающей среды», во многом сохраняя организационную структуру и детальность изложения предыдущих изданий, содержит новые сведения, характерные для стремительно развивающейся науки о химии окружающей среды. Таким образом, вместо того, чтобы открываться рассмотрением конкретной экологической проблемы (к примеру, истощения стратосферного озонового слоя), книга для начала раскрывает системные принципы химии окружающей среды. Благодаря этому читатель, переходя к рассмотрению конкретных проблем загрязнения, уже имеет о них некоторое представление. По сравнению с восьмым изданием в главы 1 и 2 были внесены существенные изменения с целью дать более точное представление об экологической устойчивости, энвиронике как науке в целом, о превращении и переносе химических веществ, их круговороте, о природе химии окружающей среды и экологически безопасной («зеленой») химии. Содержащаяся в восьмом издании глава, посвященная проблеме терроризма, была уцалена, но определенные аспекты этой темы (например, потенциальная возможность использования токсичных веществ террористами) теперь представлены в целом ряде глав. По причине важности энергии дня окружающей среды и экологической устойчивости в книгу была добавлена большая глава, раскрывающая именно данную тему. В настоящее издание нс были включены отдельные главы, посвященные химическим основам и органической химии, но их можно запросить в формате pdf у автора или издателя. В книге окружающая среда рассматривается как состоящая из пяти сфер: 1) гидросферы; 2) атмосферы; 3) геосферы; 4) биосферы и 5) антропосферы. Особо подчеркивается значение антропосферы — той части окружающей среды, что создана и управляется чел о веком и разработанными им технологиями. Эта часть сферы окружающей среды оказывает столь большое влияние на планету и ее экологические системы, что, согласно мнению лауреата Нобелевской премии Пола Крутзена, впору говорить о завершении эпохи голоцена, на протяжении которой на Земле существовало человечество, и начале эпохи антропоцена, в рамках которой последствия человеческой деятельности (в частности, выбросы газов, существенно влияющие на потепление климата и защитные свойства атмосферы) будут иметь определяющее влияние на условия существования человечества. Поскольку технологии будут использоваться для обеспечения жизни людей на планете, крайне важно, чтобы антропосфера разрабатывалась и управлялась на таких принципах, которые окажутся совместимы с экологической устойчивостью и позволят конструктивно взаимодействовать с другими сферами окружающей среды. В этой связи химия окружающей среды может сыграть свою роль.
Предисловие Со времени опубликования в 1972 е первого издания книги «Химия окружающей среды» наука о химии окружающей среды значительного эволюционировала. (В отношении этой эволюции можно отметить интересный факт: в каждом новом издании приходилось пересматривать расчет pH обычной дождевой воды, поскольку концентрации диоксида углерода в атмосфере увеличивались настолько, что эти показатели влияли на результат, представленный в каждом предыдущем издании.) Если в начале 1970-х гг химия окружающей среды занималась главным образом загрязнением и его последствиями, то сегодня акцент делается на устойчивости (экологической стабильности). Кроме того, с тех пор во многом утратили свою остроту проблемы, связанные с хлорорганическими пестицидами и фосфатными моющими средствами, вызывающими эвтрофикацию вод, поскольку производство и продажа этих веществ практически прекратились. На момент выхода первого издания еще не было до конца понятно, что происходит с большими количествами окевда углерода, выделяемого в атмосферу автомобилями; изначально полагали, что это загрязняющее вещество перерабатывается в ходе метаболизма почвенных микроорганизмов. Однако сегодня известно, что повсеместно присутствующие гидроксильные радикалы очищают атмосферу от СО. В 1972 г проблема истощения озонового слоя стратосферы только начинала приобретать актуальность и никак не связывалась с используемыми в холодильных установках хлорфторугле родам и (фреонами), которые, как выяснилось, являются главным фактором ее возникновения. По мере выхода последующих изданий книги была обнаружена озоновая дыра, возникающая весной в Антарктике и увеличивающаяся с каждым годом; Молина, Роуланд и Крут-цен получили за работу в этой области заслуженную Нобелевскую премию, ставшую первой d области экологической химии. Было доказано, что потенциал парпико во го эффекта, обусловленного выбросом диоксида углерода, метана и других газов, поглощающих инфракрасное излучение, представляет собой серьезную угрозу для планеты, пути устранения которой все еще не найдены. В 1972 г еще не существовало таких терминов, как зеленая химия и промышленная экология^ эти дисциплины, что появились лишь в 90-е гг прошлого века, стали важнейшими элементами экологической химии. В главе 1 представлен общий обзор и базовые принципы в области науки об окружающей среде и экологической устойчивости. В начале главы вкратце рассматривается важнейший вопрос нашего времени, касающийся энергии (см. раздел «От солнечной энергии к ископаемому топливу и обратно»). Далее рассматриваются вопросы превращения и переноса химических веществ, проблемы экологического терроризма и экологической криминалистической экспертизы. В главе 2 дается подробное определение химии окружающей среды и зеленой химии. Рассматривается важный принцип круговорота веществ. Вводится понятие антропосферы, рассказывается о ее взаимосвязи с другим и сферами окружающей среды и ее влиянии на Землю. При рассмотрении компонентов антропосферы, влияющих на окружающую среду, акцент делается на важнейшем значении инфраструктуры как неотъемлемой части антропосферы.
Предисловие 17 В главах 3—8 освещаются проблемы гидросферы. В главе 3 представлены особые характеристики воды и экологическая химия воды. В главах 4—8 рассмотрены специфические аспекты химии воды, биохимии воды, экологической устойчивости воды и ее обработки. Главы 9—14 посвящены химии атмосферы. В главе 14 рассказывается о важнейшем на сегодняшний день прорыве, достигнутом в экологической химии, — исследовании озоноразрушающих хлорфторуглеродов, которое, как уже упоминалось, было уцостоено первой Нобелевской премии в данной области. Здесь же подчеркивается значение парникового эффекта, который на настоящий момент может рассматриваться как главная угроза дня окружающей среды. Главы 15—16 посвящены проблемам геосферы, при этом в главе 16 основное внимание уделяется химии почвы и сельскохозяйственной химии. При рассмотрении последней обсуждается важная и противоречивая новая область, связанная с трансгенными культурами. Другой рассматриваемой областью является консервирующая обработка почвы, при которой ограниченное применение пестицидов позволяет выращивать урожай с минимальным нарушением почвы. В главе 17 подробно рассматривается тема зеленой химии, а также родственная ей область промышленной экологии. Глава 18 посвящена проблемам ресурсов и устойчивых м ате риалов. Глава 19, в предыдущих изданиях посвященная энергии, теперь представляет собой совершенно новый текст. Она называется «Устойчивая энергетика: ключ к решению всех проблем» и рассматривает важнейшие вопросы устойчивой энергетики, в том числе консервацию и возобновляемые источники. В конце главы предлагается система промышленной экологии, разработанная для получения метана из возобновляемых видов биотоплива и водорода, производимых па основе электролиза воды с использованием возобновляемой ветряной и солнечной энергии. В главе 20 анализируются вопросы природы и экологической химии вредных отходов, а в главе 21 — проблемы промышленной экологии, касающиеся уменьшения отходов, утилизации и обработки. Главы 22—23 посвящены вопросам биосферы. В главе 22 представлен общий обзор биохимии с акцентом на экологических аспектах. В главе 23 вводится и раскрывается тема токсилогической химии. В главе 24 рассматриваетсятоксилогическая химия различных классов химических веществ. Главы 25—28 посвящены проблемам химического анализа окружающей среды, включая анализ воды, отходов, воздуха, а также содержания ксенобиотиков в биоло-гиче ских м ате риалах. Как уже говорилось выше, в целях сокращения из настоящего издания были удалены две главы, посвященные химическим основам и органической химии, которые присутствовали в предыдущих изданиях книги. Читатели, которым требуются эти материалы, могут получить файлы этих глав, запросив их у издателя или автора. Я с радостью приму любые замечания и вопросы читателей, которые можно отправлять мне на электронный адрес missouri.edu. Стенли 3. Манаган
ОБ АВТОРЕ Стенли Э. Манаган — почетный профессор университета Миссури-Колумбия, где работает с 1965 г. В I960 г получил степень бакалавра по химии в университете Emporia > а в 1965 г. — степень кандидата наук по аналитической химии в университете штата Канзас. После 1968 г главными направлениями его исследовательской и профессиональной деятельности стали химия окружающей среды, токсилогическая химия и проблемы обработки отходов. Начиная с 1972 г. его классическая работа, Химия окружающей среды, выдержала многократные переиздания; на сегодня она является наиболее авторитетным изданием на данную тему. Среди других его работ можно отметить такие книги, как Fundamentals of Environmental Chemistry^ 3rd ed. (Taylor & Francis/CRC Press, 2009); Fundamentals of Sustainable Chemical Science (Taylor & Francis/ CRC Press, 2009}', Environmental Science and Technology, 2nd ed. (Taylor & Francis, 2006); Green Chemistry and the Ten Commandments of Sustainability, 2nd ed. (ChemChar Research, Inc, 2006}\ Toxicological Chemistry and Biochemistry, 3rd ed. (CRC Press/Lewis Publishers, 2002); Industrial Ecology: Environmental Chemistry and Hazardous Waste (CRC Press/Lewis Publishers, 1999}\Environmental Science and Technology (CRC Press/Lewis Publishers, 1997}', Hazardous Waste Chemistry, Toxicology and Treatment (Lewis Publishers, 1992}', Quantitative Chemical Analysis (Brooks/Cole, 1936}; General Applied Chemistry, 2nd ed. (Willard Grant Press, 1932}. В качестве докладчика от Американского химического общества автор книги прочел во многих американских университетах многочисленные лекции по химии окружающей среды, то ксило гической химии и проблемам обработки отходов, а также представил пленарные доклады по этим темам на международных конференция в Пуэрто-Рико, в университете Ля в Венесуэле, университете Хоккайдо вЯпонии, Национальном автономном университете Мексики, во Франции и Италии. В 2000 г. С. Э. Манаган стал лауреатом премии отделения экологической химии Итальянского химического общества. В своей работе он специализируется на исследованиях в области газификации вредных отходов.
Глава 1. НАУКА ОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ И ЕЕ УСТОЙЧИВОСТИ 1.1. ОТ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ К ИСКОПАЕМОМУ ТОПЛИВУ И ОБРАТНО Старая китайская пословица гласит: «Если не сойти с опасной дороги, можно остаться на ней навсегда». Недавние события показали, что путь современной цивилизации сопряжен со значительными рисками, несущими угрозу всей планете. Атака на Всемирный торговый центр 11 сентября 2001 г, как и последующие теракты влон-донском метро, на мадридской железной дороге, в отелях Мумбаи и т. д, вскрыли уязвимость общества перед лицом злобы и насилия. Более того, стало очевидно, что существует возможность еще более разрушительных террористических атак с использованием химических, биологических или радиоактивных средств. Первая половина 2008 г ознаменовалась ростом цен на важнейшие продукты, включая бензин, металлы (в частности, медь) и зерновые культуры. В июле 2008 г цены на сырую нефть в СШАдостигли почти 150 долл, за баррель и, согласно прогнозам, вполне могли бы продолжить свой рост. Во второй половине 2008 г. наблюдались обратные тенденции, связанные с наступлением серьезного экономического кризиса, сопоставимого разве что с В ел икой депрессией 1930-х. Цены на жилье и многие товары резко упали. В начале 2009 г мировые лвдеры стали лихорадочно искать решение сложных экономических проблем. Вместе с тем обратной стороной мероприятий, направленных на развитие и интенсификацию производства, являетсядальнейшее нарушение экологической устойчивости. Так, нет почти никаких сомнений в том, что выбросы диоксида углерода и других парниковых газов в атмосферу вызывают глобальное потепление. В начале 2000-х гг произошло рекордное за всю историю наблюдений уменьшение площади арктического ледяного покрова. Мощные выбросы загрязняющих веществ — причина значительного ухудшения состояния атмо-, гидро- и геосферы в промышленных районах. Продолжается истощение природных ресурсов, включая минералы, ископаемое топливо, питьевую воду и биомассу. Производительность сельскохозяйствен-ныхземель снижается из-за превращения их в территории иного назначения, водной и почвенной эрозии, сведения лесов, опустынивания и загрязнения. Разрушаются естественные биосистемы: леса, луга, поймы рек, болота. Около 3 млрд человек
Глава 1. Наука об окружающей среде и ее устойчивости (половина населения Земли) живет в нищете, получая менее 2 долл, в сутки. Большинство этих людей не имеет доступа к системе канализации и подвержено опасным болезням, возбуждаемым вирусами, бактериями и простейшими микроорганизмами (в частности, малярии и диареи). На другом конце шкалы уровня жизни — небольшой процент «богачей», потребляющих значительное количество природных ресурсов. Образ жизни этих людей предполагает проживание в домах, размеры которых значительно превышают необходимые, и активное использование автотранспортных средств, потребляющих избыточное количество топлива. Многие переедают до состояния ожирения, чреватого сердечно-сосудистыми заболеваниями, диабетом и прочими болезнями. Создается впечатление, что история взаимоотношений человечества с планетой Земля укладывается в формулу «от солнечной энергии к ископаемому топливу и обратно». На протяжении всего своего существования люди зависели от щедрости Солнца, излучение которого дает необходимое для жизни тепло. Кроме того, следует помнить, что огонь — результат сжигания биомассы, которая сама является продуктом фотосинтеза. Одежду изготавливали из шкур животных, которые питались биомассой, производимой за счет фотосинтеза. Пища, потребляемая людьми, производится из растений, преобразующих солнечную энергию в химическую энергию биомассы, а также из мяса животных, питающихся растениями. Входе прогресса стали появляться косвенные методы использования солнечной энергии. Ветер, образующийся за счет вызываемого солнцем разогрева атмосферы, приводил в движение жернова ветряных мельниц и паруса кораблей. Люди научились строить плотины и преобразовывать энергию потока воды в механическую за счет использования водяных колес. Такая циркуляция воды является частью гидрологического цикла, в котором косвенно участвует солнечная энергия. В конечном итоге всё, чем пользуется человек, связано с Солнцем. 1.1.1. Недолгий, но яркий век ископаемого топлива Со временем люди открывали всё новые способы использования ископаемого топлива. Несмотря на разработку отдельных месторождений, где каменный уголь был доступен на поверхности и добывался на протяжении веков, его широкое применение началось лишь в начале XIX в. с появлением парового двигателя. Это положило начало массовому переходу от энергии солнца и биомассы к широкому спектру ископаемых видов топлива: вначале каменного угля и нефти, а затем и природного газа. Результатом явилась колоссальная научно-техническая революция, характеризующаяся развитием тяжелой промышленности, средств транспорта (включая железнодорожный, автомобильный и авиационный), а также ростом объемов производства пищевых продуктов. В начале 1900-х гг. в Германии Карл Бош и Фриц Хабер разработали технологию превращения атмосферного азота в аммиак (NH₃). Процесс был энергоемким, протекал при высоком давлении и требовал использования больших количеств ископаемого топлива. Это открытие сделало возможным