汞管理

重金属汞污染的危害及其治理研究

2017-11-08 11:48:13 绿色科技 作者:李橙等

摘要:阐述了汞的污染及其来源和它在环境迁移中的转化规律,同时讨论了土壤中汞污染对食物中汞积累和分配的影响及通过食物链途径给人类健康带来的危害,提出了综合防治的措施。

关键词:汞;污染;危害;综合防治

1引言

汞是一种有毒性的金属,广泛分布在岩石、土壤、大气、水和生物之中,因此各种物质均有一定的汞含量,称为自然含汞量。随着社会的发展,人类活动释放出大量的汞,这些汞进入生态系统,造成生态系统的汞污染。城市区域人口密集,人类活动集中,物质和能量流动强度大,因此面临着汞污染带来的种种环境与生态问题。

目前国内外有关环境汞污染的研究主要是针对氯碱生产、金矿开采、燃煤电厂等汞污染源开展的,实际上,汞污染源类型很多,特别是一些潜在的汞污染源在我国还鲜为人知。而且汞污染尚未进入被充分认识和掌控的范畴,甚至完全处于大众视野之外。汞对环境与生态系统的持续性、严重性危害已引起全球性的关注。我国汞污染研究基本处于刚刚起步阶段,严重滞后于国际环境形势发展需要,今后除应加强基础研究工作,还要对重要汞污染地区的污染状况、机制、环境效应开展研究,以全面掌握我国汞污染的来源、汞污染源分布以及环境汞污染现状。

2重金属汞的概述

2.1重金属汞的元素特性

汞是在正常大气压力的常温下唯一以液态存在的 金属。熔点-38.87℃,沸点356.6℃,密度13.59g /cm 3 。银白色液体金属。内聚力很强,在空气中稳定。蒸气有剧毒。溶于硝酸和热浓硫酸,但与稀硫酸、盐酸、碱都不起作用。能溶解许多金属。化合价为+1和+ 2。汞的7种同位素的混合物,具有强烈的亲硫性和亲铜性,即在常态下,很容易与硫和铜的单质化合并生成稳定化合物,因此在实验室通常会用硫单质去处理撒漏的水银。在自然界中汞常以辰砂的形式存在,有时候也以游离态存在。汞是一种毒性极强的污染元素,在诸多环境污染物指标中,被列为第一类污染物。

2.2重金属汞的元素来源

自然界中主要有辰砂矿(Hg S),也有少量的自然汞。常用辰沙矿加少许碳在空气中加热而制得。

2.3重金属汞的元素用途

常用于制造科学测量仪器(如气压计、温度计等) 、药物、催化剂、汞蒸气灯、电极、雷汞等。汞的用途较广,在总的用量中,金属汞占30%, 化合物状态的汞约占70%。冶金工业常用汞齐法( 汞能溶解其它金属形成汞齐)提取金、银和铊等金属。化学工业用汞作阴极以电 解食盐溶液制取烧碱和氯气。汞是制造汞弧整流器、水银真空泵等的材料,它是由酒精、浓硝酸溶液混合加热制成的。汞的一些化合物在医药上有消毒、利尿和镇痛作用,汞银合金是良好的牙科材料。在中医学上,汞用作治疗恶疮、疥癣药物的原料。汞可用作精密铸造的铸模和原子反应堆的冷却剂以及镉基轴承合金的组元等。

汞在自然界中分布量最小,被认为是稀有金属,但是人们很早就发现了水银。天然的硫化汞又称为朱砂,由于具有鲜红的色泽,因而很早就被人们用作红色颜料。根据殷虚出土的甲骨文上涂有丹砂,可以证明我国在有史以前就使用了天然的硫化汞。

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土壤重金属汞的污染与防治

汞的无机化合物如硝酸汞(Hg(NO3)2) 、升汞(HgCl2)、甘汞(HgCl)、溴化汞(HgBr2)、砷酸汞(HgAsO4)、硫化汞(HgS)、硫酸汞(HgSO4)、氧化汞(HgO)、氰化汞(Hg(CN)2) 等,用于汞化合物的合成,或作为催化剂、颜料、涂料等;有的还作为药物,口服、过量吸入其粉尘及皮肤涂布时均可引起中毒。此外,雷汞用于制造雷管等。

3汞污染来源

环境本底含有一定浓度值,这对判断环境污染程度 很有意义。但它极少构成污染, 除了生态程度很有意义,除了生态环境改变引起迁移外,汞的污染主要是人 的污染所致。

汞污染主要来自使用和产汞或汞的化合物的工厂排出的含汞废水、废气和废渣。氯碱工业、塑料工业、电子工业、混汞炼金和雷汞生产排放的废水是水体中汞的主要污染来源;施用含汞农药和含汞污泥肥料是土壤中汞污染的主要来源;含汞金属的冶炼废气是大气汞污染的主要来源。此外,煤和石油在燃烧过程中也会排出含汞废气和颗粒态汞尘,这是很大的污染来源,这些来源随风飘移,不断落入大地,再经降雨径流,最终转移到水体。有关金属汞的生产很多,例如汞矿的开采与汞的冶炼,尤其是土法火式炼汞,空气、土壤、水质都有污染;制造、校验和维修汞温度计、血压计。流量仪、液面计、控制仪、气压表、汞整流器等,尤其用热汞法生产危害更大;制造荧光灯、紫外光灯、电影放映灯、X线球管等;化学工业中作为生产汞化合物的原料,或作为催化剂如食盐电解用汞阴极制造氯气、烧碱等;以汞齐方式提取金银等贵金属以及镀金、馏金等;口腔科以银汞齐填补龋 齿;钚反应堆的冷却剂等。

4汞的形态及生物有效性

土壤中汞的存在形态各种各样。归结起来,主要分 为三大类:金属汞、无机化合态汞和有机化合态汞。

4.1金属汞

土壤中常常存在一部分元素汞,往往只占土壤总汞 的1%以下, 但是它对生物体是高度有效的。它不仅能被叶片吸收,植物根系也能直接吸收并且利用这种形态 的汞。可见,在正常的土壤和范围内,汞能以零价状态存在并且对植物高度有效性是土壤中汞的重要特点。

4.2无机化合态汞

土壤中存在的无机化合态汞有HgS、HgCl2、 HgCl42- 、HgCO3、HgHCO3-、HgNO3+、HgSO4、HgO、HgHPO4等, 它们因土壤类型不同而各有差异。在各种无机化合态汞中,并不是所有赋存形态对生物体都是 有效的。HgCl2和HgCl42-是植物容易吸收利用的两种汞化合物,而HgS则是一种难以被植物吸收利用的无机化合物。

4.3有机化合态汞

包括CH3HgS- 、CH3HgCN、CH3HgSO3-、 CH3Hg2S、CH3HgNH3+和腐殖质结合汞等,其中以腐殖质结合汞最为主要。一般来说,土壤中有机质结合态 汞通常约占总汞的2%。研究结果表明,在各种有机化合态汞中,以甲基汞形式存在于土壤中的汞生物有效性较高,毒性也大,容易被植物吸收并且通过食物链在生物体内逐级富集,对生物和人体健康造成危害;而腐殖质结合汞的生物有效性较低,不容易被作物吸收,而且毒性也低。

5汞在环境中的迁移转化

5.1汞在自然环境中的迁移转化

汞的化合物(除Hg(NO3)2外)溶解度很小,这种性质直接影响它在环境中的赋存形态和迁移性及其迁移 转化规律。汞的天然来源为含汞原矿。在风化作用下,汞以固体微粒等形态进入环境中。进入土壤中的汞可以被植物吸收,也可以挥发进入大气,还可以被降水冲进入地面水和地下水中。大气中气态和颗粒态的汞随风飘散又可沉降到地面或水体中。

水体中的汞主要存在于沉积物中,且水中汞主要被悬浮物吸附,影响吸附的主要环境因素是pH值及颗粒物含量。在河流底质中,汞主要是与有机质的迁移转化相联系,悬浮态汞是汞迁移的主要形式。底泥中的汞可 在微生物的作用下转化为甲基汞(MeHg+ ) 。甲基汞可溶于水,因此又从底泥回到水中。环境中汞在大气、土壤、水之间就是这样不断迁移和转化的。

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5.2汞在陆生食物链中的迁移积累

土壤汞的污染主要出现在耕作层,而耕作层又是植物根系密集分布的地方,在同级别的污染区域中,园林土壤的含汞量显著高于农业土壤。园林土壤的平均含汞量约为农业土壤的6倍。这是因为农业生态系统为全开放系统,植物对土壤的归还率很低,而园林生态系统中植物的归还率高,使土壤中有机质得以积累,相应对汞的富集作用也加强,在汞污染严重地区,可以通过园林植物将污染控制在有限的范围内。

植物对汞的富集能力不同。汞富集能力,依次为常绿阔叶树>常绿针叶树>灌木>落叶阔叶树>草本植物>蔬菜。富集顺序表现了各类植物在空中暴露面积的大小和生长时期长短的积累效应。显然,园林植物的吸汞量比蔬菜高,因此,不适宜在点源附近种植蔬菜或农作物。尽管蔬菜生长季节短暂,但其可食部分的含汞量仍然超过食品卫生标准7倍多,对人畜健康将会产生 严重的危害。

6汞污染的危害

20世纪50年代初, 日本九州水俣镇不断发现一些怪病人,口齿不清、步态不稳、面部痴呆、耳聋眼瞎、全身麻木,最后神经失常、大喊大叫而死,同时,有些猫、狗发疯。这种中枢神经性疾患的公害病称“水俣病”。经多年研究发现,水俣镇上的一些化工厂将大量含汞工业废水直接排放到水俣弯的水域中,致使水体被汞污染。无机氯化汞经过微生物作用逐渐转化为有机汞,并在鱼等水生物体中浓集。当地居民吃了受汞污染的鲜鱼和贝类等产品,汞随食物入人体,最终导致“水俣病”的产生。

6.1汞对人体的危害

微量的汞在人体内不致引起危害,可经尿、粪和汗液等途径排除体外,如数量过多,即可损害人体健康。汞对人体的危害主要累及中枢神经系统、消化系统及肾脏,此外对呼吸系统、皮肤、血液及眼睛也有一定影响。汞在人和生物体中多积蓄于肾、肝、脑中。烷基汞比可 溶性无机汞化合物毒性大10100倍,主要毒害神经系统,破坏蛋白质和核酸。经研究,人的病状与甲基汞积蓄量关系为:使人知觉异常(25mg)、步行障碍(55mg)、发音障碍(90mg)、死亡(200mg以上) 。根据动物实验,汞还具有致癌性。

6.2汞的神经毒性

汞有很强的神经毒性,即使是低水平暴露也会损害神经系统,表现为精神和行为障碍,能引起感觉异常、共济失调、智能发育迟缓、语言和听觉障碍等临床症状。

6.3汞对植物的危害

汞作为植物的有害元素,影响到种子的发芽和植物 的形态建成。汞含量较低时, 对植物的生长发育影响甚微,但超过一定浓度,植物的生长就会完全被抑制。汞对作物生长发育的影响主要有抑制光合作用、根系生长 和养分吸收、酶的活性、根瘤菌的固氮作用等。

6.4汞对动物的危害

汞在鸟类体内的分布具有较强的选择性,主要蓄积 于肝脏和肾脏。卵中的Hg含量超过1. 5~18mg/kg就足以导致卵重下降、 畸形、孵化率降低、生长率以及雏鸟成活率的降低。环颈雉肝脏中的汞达到3~13mg/kg时孵化率显著降低。甲基汞还会导致绿头鸭的雏鸟警戒反应减少。

7防治措施

7.1工业汞污染的防治方法

汞在工业上应用广泛, 造成污染较严重。因此,必须采取以防为主、防治结合的综合措施。首先从工艺改革入手,采取替代物质,减少汞的使用量,从源头控制汞污染的产生。其次,淘汰落后工艺,此外,由于汞比重 大,有流动性,在作用金属汞时,应尽量减少流散,万一 不慎将汞撒落,必须尽可能收集起来,并在凡有可能遗留汞的地方都复盖上硫磺粉,使汞生成难溶的HgS。储藏汞必须密封,防止汞的挥发引起汞蒸气中毒。

对于产生含汞废水的有色冶炼厂和化工厂,应采取有效的处理措施,使车间排放口达标排放。从废水中去除无机汞的方法有:硫化物沉淀法、化学聚法、活性炭吸附法、金属还原法和离子交换法等。应视其工艺不同、排放浓度大小和废水酸碱性选用相应的经济技术可行的方法。

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7.2土壤汞污染的防治方法

土壤汞污染治理主要有两条途径, 一是改变汞在土壤中的存在形态,使其由活化态转化为稳定态,其二是从土壤中去除汞以使土壤中的汞的浓度接近或达到土壤汞背景值浓度水平。目前,通常采用的方法主要有物 理、物理化学和生物修复法。

7.2.1物理及物理化学的方法

一般的做法有:热处理技术,动电修复技术,淋滤法和洗土法,施用调控剂等,但以往采用的这些方法存在着明显的不足就是这些方法一般投资昂贵,使用设备复杂,不太适宜大范围推广应用。

7.2.2生物修复

(1 )植物修复。植物修复是一种很有效且廉价处理污染的新方法,这种方法在美国等发达国家已开展了大规模的试验,并证明有效。

(2)微生物修复。利用微生物对某些重金属的吸收、沉积、氧化和还原等作用,减少植物摄取。从而降低重金属的毒性。

7.3政府汞污染的治理对策

(1 )能源结构。我国城市的一次能源结构中,煤炭一直占据主导地位。燃煤汞污染是我国城市汞污染的一个重要来源,因此调整能源结构,引进和发展清洁能源,将目前以原煤为主的污染型能源结构逐步转变为以天然气、电力等优质能源为主的清洁型能源结构,减少煤炭在一次能源中所占的比例,是减少汞排放量的主要措施。

(2)提高能源效率。目前能源消费环节浪费仍然比较严重,主要表现在燃煤锅炉热效率较低、建筑采暖热能浪费严重等。因此,加强高新技术在能源供应和消费领域的推广应用,提高能源利用效率,可以进一步减少汞的排放量。

(3 )增加用煤洗选比例,降低燃煤中的汞含量。结合煤炭清洁燃烧工艺,开发燃煤脱汞技术。

(4 )实行垃圾分类和加强固体废弃物管理。如果生活垃圾能分类收集、分别处理,对其中的含汞电池、荧光灯、体温计等采取比一般生活垃圾更严格的防护措施。

(5)制定完善的汞管理法律、法规,建立全面的汞环境标准,包括排放标准和各种环境质量标准。

(6 )加强汞污染危害的宣传教育和减少汞污染的知识的普及,提高人们的环保意识。

8结语

随着现代工农业的发展,重金属污染问题日趋严重。重金属污染,不同于其它类型污染,具有隐蔽性、长期性和不可逆转等特点。重金属可直接对环境中的大气、水和土壤造成污染,在土壤→植物→动物→人体之间的食物链中,不仅鸟类作为高级消费者会受到威胁,人类也会深受其害。防治重金属污染,应当提高全民素质、增强环保意识,从根本上消除污染源;要坚决杜绝工业“三废”的直接排放,规划城市垃圾的堆放,严格控制含有重金属的化肥、农药的使用。

我国汞污染研究还滞后于国际环境形势发展需要。今后除了要加强基础研究工作,还要对重要汞污染地区污染状况、机制、环境效应开展研究,以全面掌握我国汞污染的来源、汞污染源分布以及环境汞污染现状,安排汞污染治理专项资金,对重点地区优先实施汞污染治理。期待在不久的将来,会有越来越多的汞污染地区得到有效治理。

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