CC BY
201
Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология» процессов исходя из экологических возможностей региона. Они дают, в отличие от обратимых оценок, близкие к реальности, а иногда и реализуемые "образцы" оптимальной организации.
Статья написана на основе работ, проводившихся при поддержке MNF, фондов INTAS и РФФИ.
Литература
1. Цирлин А.М. Оптимальное управление процессами необратимого тепло- и массопереноса // Изв. АН СССР, сер"Техническая кибернетика" №2,1991,с.171-179.
2. Кузнецов А.Г., Руденко А.В., Цирлин А.М. Оптимальное управление в термодинамических системах с конечной емкостью источников//Автоматика и телемеханика. №6, 1985,с.20-32.
3. Розоноэр Л.И., Цирлин А.М. Оптимальное управление термодинамическими процессами // Автоматика и телемеханика. №1, №2, №3, 1983.
4. Новиков И.И. Эффективность атомных электростанций//Атомная энергия №3,1957,с.409.
5. Curzon F.L., Ahlborn B. Efficiency of a Carnot engine a maximum power output // American Journal of Physics. N 3,1975.
6. Andresen B.// Finite-time thermodynamics. Uniwersitet of Copenhagen.1983,149p.
7. S.Sieniutycz and P.Salamon (ed.). Advances in thermodynamiks. Vol 4. Finite-Time Thermodynamics .Taylor and Francis, N-Y.1990.
8. Bejan A. Entropy generation minimization //J.Appl.Phus.79,1996,1191-1217.
9. A.M. Tsirlin, V. Kazakov, R.S. Berry. Finite-Time Thermodinamics Limiting Performace of Rectification and Minimal Entropy Production in Mass Trauster // J.of.Phys.Chem.1994. 98, p.3330-3336.
10. Розоноэр Л.И., Руденко А.В., Цирлин А.М. Использование методов оптимизации для оценки предельных возможностей абсорбционно-десорбционных циклов//Теоретические основы химической технологии. №3, 1984, с. 362-370.
Корреляционный анализ содержания тяжелых металлов в донных отложениях
к.т.н. доцент Шигабаева Г.Н., Ахтырская Е.О. Тюменский государственный университет, г. Тюмень
8(906)821-79-97
Аннотация: В работе приведены результаты химического анализа донных отложений некоторых озер таежной хоны Западной Сибири. Определены валовое содержание и подвижные формы тяжелых металлов, построены корреляционные диаграммы по содержанию тяжелых металлов и рассчитаны кларковые концентрации. Построена матрица парных корреляций с использованием программы Statistika 6.0.
Ключевые слова: тяжелые металлы, парные корреляции, кларковые концентрации
В водных экосистемах между донными отложениями (ДО) и водой происходят непрерывные процессы обмена веществами. В этой связи большой интерес представляет изучение влияния донных отложений на загрязнение воды в результате вторичного загрязнения. Этот процесс наблюдается, когда ранее перешедшие из толщи воды загрязняющие вещества в результате различных внутриводоемных процессов (изменение окислительно-восстановительной обстановки, биохимические процессы) могут переходить из ДО в воду, вновь загрязняя ее [1].
Среди множества токсикантов, попадающих в природные воды, особое значение
имеют тяжелые металлы (ТМ). Активно включаясь в миграционные циклы, они аккумулируются в различных компонентах водных экосистем. Особая опасность ТМ заключается в том, что, в отличие от токсикантов органической природы, в большей или меньшей степени разлагающихся в природных водах, ТМ в них стабильны и изменяют только свои формы нахождения.
В группу тяжелых металлов (ТМ) входит большое число химических элементов (металлов и металлоидов), удельная плотность которых больше 5 г/см . При всей условности такого объединения все тяжелые металлы обладают одним общим свойством: они могут быть биологически активными.
Попадая в результате антропогенной деятельности в природные среды, многие из них могут накапливаться в живых организмах до таких уровней концентраций, когда они начинают оказывать токсические воздействие на организмы. К числу наиболее токсичных для биоты тяжелых металлов относятся свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, медь, цинк, ванадий, кобальт, хром и др. Загрязнение природной среды некоторыми тяжелыми металлами уже приобрело глобальный характер. Источники поступления тяжелых металлов в морские бассейны подразделяются на две группы - природного и антропогенного происхождения.
К природным относится в первую очередь речной сток, куда химические элементы попадают в растворенном и взвешенном виде, в результате химического и физического выветривания пород и почв водосбора, со стоком подземных вод, атмосферными выпадениями, при эрозии берегов и дна, за счет поступления богатых металлами иловых вод из донных отложений, а также при водообмене с другими водоемами.
Антропогенными источниками являются разработки месторождений различных руд, нефти, газа, промышленные, перерабатывающие и ремонтные предприятия (особенно металлургические заводы), автомобильный, авиационный и морской транспорт, сельское хозяйство, морские порты, муниципальные стоки городов, санаторно-курортные комплексы и т.д. [2].
Всё это определило цель данной работы: получение экспериментальных данных по содержанию тяжелых металлов в донных отложениях и выявление корреляционных зависимостей по содержанию тяжелых металлов.
Объектами исследования являлись донные отложения, из 40 озер таежной зоны Западной Сибири.
При определении валового содержания донные отложения прокаливали при 450 °С и растворяли в концентрированной фтористоводородной кислоте. Подвижные формы тяжелых металлов извлекались ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН=4,8. Элементный состав донных отложений был определен атомно-адсорбционным анализом.
По результатам определений была рассчитана доля подвижных форм металлов от их общего содержания.
% i™ ■( 90 -Л 30 -А 70 -А
so -А
50 -А 40 -А 30 -А
20-А
ю -А
о -И
Мп С! Ni Zn Cu Со ir Fe Cd
Рисунок 1. Доля подвижных форм тяжелых металлов от их общего содержания
в донных отложениях озер
Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология» Из диаграммы видно, что доля подвижных форм №, Cd, Fe составляет соответственно от 0,2 % до 3% от их общего содержания. Доля подвижных форм Mn, Zn, Sr в донных отложениях от их общего содержания достаточно велика от 15% до 21%, что увеличивает их реальную токсичность, поскольку подвижная форма является лабильной и при небольшом закислении водоема может перейти в водную фазу [3].
В большинстве литературных источников по анализу данных тяжелых металлов в природных объектах принято построение матриц парных корреляций с целью выявления отсутствия или наличия корреляций между содержаниями тяжелых металлов.
Нами была построена матрица парных корреляций с использованием программы Statistika 6.0.
Таблица 1
Корреляционная зависимость валового содержания
УЭП орг. в-во Си са Zn N1 Мп Сг 8г Со Ее
УЭП 1,00 0,15 0,32 -0,06 0,15 0,07 0,08 0,15 0,39 0,13 -0,17
орг. в-во 0,15 1,00 -0,04 0,01 -0,21 -0,18 -0,19 0,15 0,37 0,17 0,05
Си 0,32 -0,04 1,00 -0,21 0,60 0,12 0,25 0,12 0,14 0,10 -0,03
Са -0,06 0,01 -0,21 1,00 -0,45 -0,54 -0,36 -0,52 -0,39 -0,50 0,08
Zn 0,15 -0,21 0,60 -0,45 1,00 0,49 0,54 0,30 0,29 0,25 0,24
N1 0,07 -0,18 0,12 -0,54 0,49 1,00 0,86 0,91 0,62 0,89 -0,06
Мп 0,08 -0,19 0,25 -0,36 0,54 0,86 1,00 0,78 0,57 0,76 0,19
Сг 0,15 0,15 0,12 -0,52 0,30 0,91 0,78 1,00 0,75 1,00 -0,07
8г 0,39 0,37 0,14 -0,39 0,29 0,62 0,57 0,75 1,00 0,71 -0,10
Со 0,13 0,17 0,10 -0,50 0,25 0,89 0,76 1,00 0,71 1,00 -0,06
Ее -0,17 0,05 -0,03 0,08 0,24 -0,06 0,19 -0,07 -0,10 -0,06 1,00
Проведение корреляционного анализа позволило выделить несколько значимых соответствий, таких как (^^п^г) - халькофильные элементы, (^-№) - сидерофильные элементы и (Сu-Zn-Cd) - литофильные элементы (таблица 1). Кроме того, были обнаружены корреляции между Zn-Mn, №-&, Sr-Co, что указывает на иные механизмы формирования донных отложений. При этом были обнаружены значительные корреляции между Mn-Fe (таблица 1 ), что говорит о возникновении железо-марганцевых конкреций, которые возникают в озёрах таежно-лесной зоны, где много болот, в водах которых много органических кислот и органического вещества. Роль органического вещества в аккумуляции тяжелых металлов в илах незначительна.
Для характеристики накопления микроэлементов в донных отложениях озер Западной Сибири использовался кларк концентрации. Данный показатель рассчитывался как отношение содержания химического элемента в изучаемом природном теле к его кларку в земной коре. Валовые содержания микроэлементов в донных отложениях озер сравнивались с кларками осадочных пород (глинами и сланцами). Для расчета кларков концентрации были использованы таблицы кларков, составленные А.П. Виноградовым [1].
Таблица 2
Корреляционная зависимость подвижных форм
УЭП орг. в-во ^ Cd Zn № Mn Sr Fe
УЭП 1,00 0,15 0,35 0,01 -0,09 -0,35 -0,23 0,02 0,19 -0,22 -0,26
орг. в-во 0,15 1,00 0,01 -0,06 -0,13 -0,54 -0,44 -0,19 -0,34 -0,34 -0,47
^ 0,35 0,01 1,00 -0,15 0,01 0,27 0,19 -0,32 -0,15 -0,09 0,30
Cd 0,00 -0,06 -0,15 1,00 -0,54 0,37 -0,23 -0,14 0,14 0,23 -0,27
Zn -0,09 -0,13 0,01 -0,54 1,00 -0,02 0,45 -0,11 -0,04 0,20 0,30
№ -0,35 -0,54 0,27 0,37 -0,02 1,00 0,47 -0,21 -0,13 0,36 0,57
Mn -0,23 -0,44 0,19 -0,23 0,45 0,47 1,00 -0,14 0,08 0,21 0,89
^ 0,02 -0,19 -0,32 -0,14 -0,11 -0,21 -0,14 1,00 0,46 0,38 -0,24
Sr 0,19 -0,34 -0,15 0,14 -0,04 -0,13 0,08 0,46 1,00 0,33 -0,07
^ -0,22 -0,34 -0,09 0,23 0,20 0,36 0,21 0,38 0,33 1,00 -0,02
Fe -0,26 -0,47 0,30 -0,27 0,30 0,57 0,89 -0,24 -0,07 -0,02 1,00
Таблица 3
Среднее содержание элементов в земной коре, мг/кг
Химический Кларк по Медианное значение КК
элемент, мг/кг Виноградову, мг/кг валового содержания
Zn 83 31,06 0,37
47 12,56 0,27
83 19,16 0,23
18 4,07 0,23
№ 58 12,82 0,22
Fe 46500 72,38 0,16
Mn 1000 87,01 0,09
Sr 340 15,89 0,05
Кларки концентраций, рассчитанные для тяжелых металлов, не превышают среднего содержания в земной коре (КК<<1), поэтому можно предположить, что они рассеиваются в донных отложениях (таблица 3).
Таким образом, изучение состава донных отложений и расчет кларков позволили оценить степень накопления металлов. Для 40 образцов донных отложений озер таежной зоны Западной Сибири были определены валовые содержания и подвижные формы тяжелых металлов. Выявлены корреляционные зависимости по содержанию тяжелых металлов и содержанию органического вещества. Наиболее значительные корреляции обнаружены между Мп-Бе, что говорит о возможном возникновении железо-марганцевых конкреций. Проведен рассчет кларков концентраций тяжелых металлов в донных отложениях.
Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология» Литература
1. Виноградов А. П. Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры // Геохимия, 1962. - № 7. - С. 555—571.
2. Мизандронцев И.Б. Химические процессы в донных отложениях водоемов. -Новосибирск: Изд-во Наука, 1990. - С.175.
3. Перельман А.И. Геохимия природных вод 2003. - М.: Изд-во Наука, 1982. - С.154.
Разработка информационной технологии и компьютерный менеджмент качества неорганических кислот особой чистоты
д.т.н. проф. Бессарабов А.М., Трынкина Л.В., Казаков А.А., Трохин В.Е.
Научный центр «Малотоннажная химия» bessarabov@ne-m tc.ru
Аннотация. При создании технологии получения ассортимента неорганических кислот особой чистоты нами была разработана информационная база данных гибкого производства, включающего 7 типовых аппаратурных модулей: химической очистки, ректификации, десорбции, адсорбции, абсорбции, коррекции состава и фильтрации. Для аналитического мониторинга особо чистых неорганических кислот на основе информационных CALS-технологий разработана система компьютерного менеджмента качества.
Ключевые слова: особо чистые вещества, неорганические кислоты, база данных, компьютерный менеджмент качества, CALS-технология
Среди веществ особой чистоты немаловажную роль играют высокочистые неорганические кислоты, применяющиеся в таких областях народного хозяйства, как атомная энергетика, микроэлектроника, полупроводниковая техника, волоконная оптика и др. В последнее время промышленное производство неорганических кислот реактивной квалификации и особой чистоты характеризуется существенным ростом требований потребителей продукции к такому понятию, как качество. Прежде всего качество особо чистой кислоты определяется содержанием в ней лимитируемых микропримесей. При выборе способов очистки предпочтение отдается методам, в которых ограничена возможность внесения дополнительных загрязнений [1, 2].
Для глубокой очистки в основном применяются такие процессы, как адсорбция, абсорбция, ректификация и т.д. В этих процессах обеспечивается очистка особо чистых кислот до содержания отдельных примесей на уровне масс. Целью данной работы явля-
ется информационная поддержка при синтезе производства ассортимента неорганических кислот особой чистоты (соляной, плавиковой, хлорной и азотной) на основе общих принципов формирования гибких технологических схем из типовых модулей [3].
Разработка модульной технологии осуществлялось путем такого сочетания отдельных технологических процессов, которое дает возможность использования максимального разнообразия исходного сырья. В качестве примера такого синтеза приводится разработка технологий высокочистых азотной и хлорной кислот [2] на одной технологической линии, и га-логеноводородных кислот (плавиковой и соляной) - на другой [1]. При этом во втором случае имеет место возможность использования практически всех возможных видов исходного сырья (газ, концентрированные и разбавленные кислоты), представленного на рынке химических продуктов.
Созданная нами новая технология получения ассортимента неорганических кислот особой чистоты базируется на 7 типовых аппаратурных модулях: химической очистки, ректификации, десорбции, адсорбции, абсорбции, коррекции состава и фильтрации. При созда-
