Введение
Проблемы, связанные с наблюдаемыми нарушениями эволюционно сложившихся химических равновесий, носят крупнорегиональный или глобальный характер. Как было показано, такие изменения, особенно отчетливо проявившихся в последние 50 лет, обусловлены деятельностью человека.
К числу наиболее опасных загрязняющих природную среду компонентов относят тяжелые металлы. Эти компоненты оказывают сильное влияние на биотическую составляющую биосферы: их интенсивное поступление чревато исчезновением отдельных видов, что обычно является первым этапом глубокой перестройки или даже полной деградации экосистем. Таким образом, нарушается естественная функция биоты - регулирование характеристик (и том числе глобальных) природной среды, обеспечивающих благоприятные для современных форм жизни условия существования. Одним из таких компонентов является кадмий. Поэтому изучение химического поведения в природных объектах кадмия является актуальной задачей экотоксикологии.
Нахождение и формы кадмия в природе
Содержание кадмия в земной коре составляет 1,6·10–5%. Он близок по распространенности к сурьме (2·10–5%) и в два раза более распространен, чем ртуть (8·10–6%). Для кадмия характерна миграция в горячих подземных водах вместе с цинком и другими химическими элементами, склонными к образованию природных сульфидов. Он концентрируется в гидротермальных отложениях. Вулканические породы содержат до 0,2 мг кадмия на кг, среди осадочных пород наиболее богаты кадмием глины – до 0,3 мг/кг, в меньшей степени – известняки и песчаники (около 0,03 мг/кг). Среднее содержание кадмия в почве – 0,06 мг/кг.
У кадмия есть собственные минералы – гринокит CdS, отавит CdCO3, монтепонит CdO. Однако своих месторождений они не образуют. Единственным промышленно значимым источником кадмия являются руды цинка, где он содержится в концентрации 0,01–5%. Кадмий накапливается также в галените (до 0,02%), халькопирите (до 0,12%), пирите (до 0,02%), станните (до 0,2%).Общие мировые ресурсы кадмия оцениваются в 20 млн.т, промышленные–в 600 тыс. т.
Промышленное использование кадмия
В год в мире производится около 20 тыс. т кадмия. Объем его производства в большой степени связан с масштабами производства цинка.
Важнейшей областью применения кадмия является производство химических источников тока. Кадмиевые электроды используются в батареях и аккумуляторах. Отрицательные пластины никель-кадмиевых аккумуляторов изготовлены из железных сеток с губчатым кадмием в качестве активного агента. Положительные пластины покрыты гидроксидом никеля.
Примерно десятая часть мирового производства кадмия расходуется на производство сплавов. Кадмиевые сплавы используют главным образом как антифрикционные материалы и припои. Сплав, содержащий 99% кадмия и 1% никеля, применяют для изготовления подшипников, работающих в автомобильных, авиационных и судовых двигателях в условиях высоких температур.
Резкий скачок спроса на кадмий начался в 1940-е и был связан с применением кадмия в атомной промышленности – выяснилось, что он поглощает нейтроны и из него стали делать регулирующие и аварийные стержни атомных реакторов. Способность кадмия поглощать нейтроны строго определенных энергий используется при исследовании энергетических спектров нейтронных пучков.
Источники загрязнения кадмием биосферы
Основные источники антропогенного поступления тяжелых металлов в природную среду – тепловые электростанции, металлургические предприятия, карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд, транспорт, химические средства защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей. Наиболее мощные потоки тяжелых металлов возникают вокруг предприятий черной, особенно цветной металлургии, в результате атмосферных выбросов. Вследствие несовершенства технологических процессов и средств очистки выбрасываемых газов загрязняются атмосфера, почвенный и растительный покровы
Кадмий в атмосфере
Важнейшим антропогенными источниками поступления кадмия в атмосферу являются сжигание горючих ископаемых (уголь, нефть), сжигание мусора, а также производство стали и других металлов. В атмосферном воздухе кадмий находится в форме органических соединений в виде пыли и аэрозолей. При этом аэрозоли кадмия состоят преимущественно из субмикронных частиц диаметром 0,5-1 мкм, благодаря чему они способны переноситься на большие расстояния от источника выброса.
Кадмий в водных системах
Основным источником кадмия в воде является литосфера, особенно фосфатные залежи и удобрения, получаемые из них.
Понижение концентрации растворенных соединений кадмия происходит за счет процессов сорбции, выпадения в осадок гидроксида и карбоната кадмия и потребления их водными организмами.
В естественных условиях кадмий попадает в подземные воды в результате выщелачивания руд цветных металлов, а также в результате разложения водных растений и организмов, способных его накапливать. В последние десятилетия превалирующим становится антропогенный фактор загрязнения кадмием природных вод.
Кадмий в почве
Основным источником загрязнения почвы соединениями кадмия является сухое и мокрое осаждение из атмосферы. Период полувыведения кадмия из почвы составляет 1100 лет.
В почвах кадмий, как и другие тяжелые металлы, содержится в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах.