Водные и минеральные природные ресурсы


А. И. Фоменко









                ВОДНЫЕ И МИНЕРАЛЬНЫЕ ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ




Учебное пособие










Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

УДК 556.48+553.042(075.8)                       Рекомендовано методическим советом
ББК 26.22+26.34              Института математики, естественных и компьютерных наук
Ф76                                  Вологодского государственного университета



Рецензенты:
А. И. Гнездилова, доктор технических наук, профессор Вологодской молочнохозяйственной академии им. Н. В. Верещагина




        Фоменко, А. И.
Ф76 Водные и минеральные природные ресурсы : учебное пособие / А. И. Фоменко. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 196 с. : ил., табл.
             ISBN 978-5-9729-0360-3

      Рассмотрены теоретические основы и прикладные аспекты использования водных и минеральных природных ресурсов. Даны сведения о физико-химических свойствах воды, рассмотрены факторы и процессы формирования химического состава природных вод, их классификация и методы оценки качества, а также возможные последствия их загрязнения. Особое внимание уделено методам защиты подземных водоисточников нецентрализованного водоснабжения от техногенного загрязнения. Освещены вопросы современного состояния минерально-сырьевой базы и технологий добычи полезных ископаемых, изложены особенности горных работ в аспекте их воздействия на окружающую среду. Рассмотрены современное состояние и принципы управления минеральными ресурсами, описаны технологии снижения техногенной нагрузки горного производства на природную среду.
      Для студентов, обучающихся по экологическим направлениям подготовки, а также специалистов в области химической экспертизы и экологической безопасности.
     Издание подготовлено в рамках выполнения государственного задания (Задание № 11.9503. 2017/8.9).
УДК 556.48+553.042(075.8)
                                                   ББК 26.22+26.34

ISBN 978-5-9729-0360-3     © ФоменкоА. И., 2019
                           © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

        ПРЕДИСЛОВИЕ


      Учебное пособие посвящено изучению природных вод, как одного из важнейших природных ресурсов и как компонента окружающей среды, и минеральных ресурсов (полезных ископаемых), как компонентов природной среды и как минерального сырья многих отраслей промышленности, в том числе наиболее материалоемких - металлургической, химической и строительной.
      Главная особенность природных вод, отличающая их от всех других природных ресурсов, их возобновляемость в процессе общего круговорота воды. Являясь частью окружающей среды, природные воды находятся в сложных взаимозависимых отношениях с другими ее компонентами. Самостоятельной, но не менее важной задачей является определение роли подземных вод в общих водных ресурсах и водном балансе отдельных регионов. Подземные воды меньше подвержены сезонным и многолетним колебаниям, более надежно защищены от загрязнения, что определило тенденцию все к большему использованию их в настоящее время для водоснабжения.
      Особенностью минеральных ресурсов, отличающей их от всех других природных ресурсов, является их невозобновляемость. В современных условиях природные минеральные ресурсы используются с низкой эффективностью. Новые требования ресурсосбережения, повышения экономической эффективности, технической и экологической безопасности на предприятиях-природопользователях становятся неотъемлемым условием рационального использования и охраны природных минеральных ресурсов. Развитие минерально-сырьевой базы на региональном уровне за счет выявления и промышленного освоения небольших по масштабам ресурсов техногенного минерального сырья, снижение потерь минерального сырья при добыче и переработке, повышение комплексности его использования является приоритетным направлением государственной политики в области природопользования и защиты окружающей природной среды.

3

        ВВЕДЕНИЕ


      Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Экология и природопользование», «Химия» (профиль «Химия окружающей среды, химическая экспертиза и экологическая безопасность»), и других направлений, в учебной программе которых предусмотрено изучение основных понятий и вопросов в области рационального использования природных ресурсов.
      В учебном пособии в разделе «Водные ресурсы» даны основные понятия и представления о современных методах рационального использования и охраны водных ресурсов, приоритетных направлений развития водного хозяйства, гид-рогеохимических исследований и их использования для решения теоретических и прикладных задач в области природопользования и развития хозяйственной деятельности. В разделе «Минеральные ресурсы» даны основные понятия о минералах и горных породах, технологиях добычи минеральных ресурсов и приоритетных направлениях защиты окружающей среды в горнопромышленном комплексе.
      Изложенный материал позволяет ознакомить студентов с расчетными методами оценки качества природных вод по санитарно-химическим показателям и критериям физиологической полноценности их химического состава, установления техногенных факторов, определяющих формирование подземных вод с повышенным содержанием нормируемых примесей. Особое внимание уделено технологиям снижения техногенной нагрузки горного производства на природную среду, расчетным методам оценки воздействия отходов добычи и обогащения, складируемых в накопители и хвостохранилища, на компоненты природной среды.
      Теоретические обоснования и практические подходы к решению задач управления водными и минеральными ресурсами достаточно полно описаны в научной и учебной литературе. Задача настоящего учебного пособия состоит в том, чтобы подготовить студентов к изучению специальных дисциплин с учетом представлений об экологической безопасности природопользования, в частности, водных и минеральных ресурсов.

4

        ЧАСТЬ I. ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ

        ГЛАВА 1. ВОДА В ПРИРОДЕ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

    1.1. Основные понятия и определения

     Природные воды являются важнейшей составной частью биосферы. Они обеспечивают массообмен химическими элементами между ее составными частями. Являясь средообразующим фактором и одновременно средой обитания всех организмов, вода выполняет важнейшие экологические функции. Все природные воды взаимосвязаны и образуют гидросферу (от гр. hydor вода + sphaira шар) - сплошную водную оболочку Земли, объединенную глобальным круговоротом вещества и энергии. Под влиянием солнечной радиации все воды гидросферы находятся в непрерывном круговороте (син. глобальный гидрологический цикл), в процессе которого осуществляется тесная связь природных вод с атмосферой, литосферой и биосферой.
     Для выяснения той роли, которую вода играет в нашем природном окружении, важно знать ее химические и физические свойства в твердом, жидком и газообразном состоянии. В современных условиях научного познания природная вода представляет собой еще мало изученное вещество. В настоящее время не создано теорий, которые адекватно описывали бы жидкое состояние воды и ее свойства. Вода относится к веществам необычных свойств. Вода, являясь одним из самых распространенных в природе веществ, представляет собой уникальное состояние вещества - структурированную жидкость со значительным диапазоном энергетического и динамического спектра взаимодействующих молекулярных структур, обладающих информационной памятью на внешние воздействия (на изменение температуры, давления, рН, состава раствора и т. п.). Практически все физические свойства воды аномальны (приложение 1) [24].
     Важнейшим аномальным свойством является существование воды в условиях поверхности Земли в трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном. Эта особенность физико-химических свойств воды обусловлена необычайно высокими температурами плавления и кипения. Для вещества с такой небольшой молярной массой (18 г/моль) вода, в отличие от других гидридов р-элементов VIA группы периодической системы, не газообразна при стандартных условиях, а является жидкостью:


5

гидриды температура кипения, °C                        К
Н₂0         100        373
H₂S         -60        213
H₂Se        -42        231
Н₂Те         -2        271
     Из этих данных следует, что вода должна была бы кипеть как «обычное тело» примерно при -80 °C, но как «вещество необычное» она кипит при +100 °C. Приблизительно одна треть всей энергии, которую Земля получает от Солнца, расходуется на испарение воды с поверхности океанов и других водных объектов; поэтому высокая теплота испарения воды играет важную роль в установлении условий жизни на нашей планете.
     Аномальными являются зависимости объема и плотности воды от температуры. Все вещества при нагревании увеличивают свой объем и уменьшают плотность. Для воды зависимость объема и плотности от температуры не однозначна. В интервале от 0 до 4 °C с возрастанием температуры объем воды не увеличивается, а, наоборот, уменьшается. Плавление льда при атмосферном давлении сопровождается уменьшением объема на 9 %, при затвердевании в лед объем увеличивается на 9 %. Плотность воды как функция температуры имеет максимум (1 г/см³) при +4 °C. Эта аномалия воды очень важна в природе. Вследствие того, что плотность льда меньше плотности жидкой воды (при 0 °C плотность льда 0,91680 г/см³, плотность воды 0,99984 г/см³), лед плавает на ее поверхности, предотвращая промерзание водоемов и водотоков до дна в зимний период. Основная водная масса водоемов и водотоков характеризуется изменениями температуры в зимний период в зависимости от глубины в интервале значений от 0 до +4 °C, что определяет положительный температурный режим водных систем и является необходимым условием для всех водных организмов.
     Вода обладает высокой удельной теплоемкостью, при +15°C равной 4,1868-10³ Дж/кг-К. Аномально большое увеличение удельной теплоемкости льда, которое при его плавлении при 0°C возрастает почти вдвое (с 2,0515-10³ до 4,02245-10³ Дж/кг-К). В интервале от 0 °C до 100 °C удельная теплоемкость воды почти не зависит от температуры (имеется минимум при +35 °C).
     Аномальна зависимость сжимаемости и вязкости воды от температуры и давления. Наличие сил межмолекулярного взаимодействия создает очень большое внутреннее давление (около 20 тыс. атм), в силу чего при меньших давлениях вода оказывается практически несжимаемой, но при больших давлениях сжимаемость воды обнаруживается четко. Минимум изотермической сжимаемости (44,9 -10⁻ ¹¹ Па⁻ '). наблюдаемый при 46 °C, выражен довольно четко.

6

Коэффициент вязкости воды при нормальном давлении (1,013-10⁵ Па) и 20 °C равен 1,01-10"³ Па-с. В отличие от других жидкостей вязкость воды при низких давлениях и температурах до 30 °C с повышением давления уменьшается.
      Вода обладает высоким поверхностным натяжением и поверхностным давлением, в силу чего капля воды стремится принять форму шара, а при соприкосновении с твердыми телами смачивать поверхность большинства из них. При смачивании тонким слоем за счет поверхностного натяжения вода может прочно удерживаться на поверхности твердых частиц, проявляя свойство адгезии (от лат. ndhacsio - притяжение, сцепление, прилипание). Поверхностное натяжение, смачивание и адгезия обусловливают способность воды подниматься в капиллярах вверх вопреки силам притяжения (гравитации), образуя вогнутую поверхность выше естественного уровня воды. Вогнутую поверхность натяжение стремится выровнять, за счет этого происходит движение воды. Вследствие этого почвенные воды, удерживаясь поверхностным натяжением в почве и верхних слоях подпочвенного грунта, не стекают в более глубокие горизонты, обеспечивая растения влагой. Количественной характеристикой такого свойства является капиллярная постоянная, которая равна произведению высоты подъема жидкости на радиус капилляра. Для чистой воды капиллярная постоянная линейно уменьшается с повышением температуры, а при достижении критической температуры становится равной нулю. Предельная высота капиллярного подъема воды при +15°C составляет в крупном песке около 2 м, в мелком песке 1,2м,а в чистой глине 12 м [1].
      Важнейшее свойство воды - ее высокая диэлектрическая проницаемость е (безразмерная величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия противоположных электрических зарядов в воде меньше, чем в воздухе). Диэлектрическая проницаемость воды при 20°C е = 81 (это значит, что отделение ионов от кристаллов какой-либо соли в воде в 81 раз легче, чем в воздухе). C повышением температуры диэлектрическая проницаемость падает (диэлектрическая проницаемость льда при 0 °C равна 91, жидкой воды при 18 °C е = 81,7; при 25°C е = 78,3). Высокая диэлектрическая проницаемость указывает на то, что молекулы воды заметно поляризованы и обладают значительным дипольным моментом. Дипольный момент определяет электрическую симметрию молекулы и дает представление о соотношении ковалентной и ионной составляющих химической связи. Дипольный момент измеряется в дебаях (D) и для воды экспериментальное значение дипольного момента равно 1,87. Высокие диэлектрическая проницаемость и дипольный момент воды определяют ее хорошую растворяющую способность по отношению к полярным и ионогенным веществам. Кроме того, свойства многих веществ, в том числе кислот и оснований, очень сильно зависят от того, что растворителем для них является

7

вода. Подавляющее большинство химических реакций протекает в водных растворах.
     Все эти и другие аномальные свойства воды, как в жидком, так и в твердом состоянии, обусловливают жизненно важную роль воды в общей биологической системе. Аномально высокие значения удельной теплоемкости, теплоты испарения воды и теплоты плавления льда являются определяющим регулятором климатических условий на земле, стабилизирующим температуру на ее поверхности.
     Все аномальные свойства воды определяются особенностями структуры и прежде всего ее внутренним строением [24]. Молекула воды имеет угловое строение, что, согласно теории валентных связей, соответствует 5р³-гибридному состоянию атома кислорода. Валентный угол молекулы воды составляет 104,5°. Большой дипольный момент молекулы воды обусловлен сосредоточением отрицательного заряда на кислородной стороне молекулы воды, а водородная сторона (два атома водорода) несет положительный заряд, что создает условия значительного притяжения молекул воды друг к другу:
о2⁵⁻/¹⁰⁴,⁵°\ н3+       н8+
     Это обусловливает высокие значения теплоты испарения жидкой воды (АН°исп = 40,63 кДж/моль), затрачиваемой на разделение и отрыв молекул, и теплоты плавления льда (АН°пл = 5,99 кДж/моль).
     Кроме сил дипольного взаимодействия молекулы воды связаны друг с другом еще и водородными связями, которые у воды выражены довольно значительно ввиду малого расстояния между молекулами. Длина водородной связи между молекулами воды равна 0,177 нм (расстояние между атомами водорода в молекуле воды 0,154 нм, между атомами кислорода и водорода 0,09569 нм). Каждая молекула воды образует тетраэдрическую систему водородных связей. Это обусловлено тем, что в ее молекулярной структуре по тетраэдрическим направлениям локализована электронная плотность двух ковалентных связей О-Н и двух неподеленных электронных пар атома кислорода. При этом число атомов водорода, способных образовывать водородные связи за счет электроноакцепторных свойств, равно числу неподеленных электронных пар кислородного атома, определяющих электронодонорную активность молекулы воды в образовании водородных связей. При обычных условиях вода ассоциирована за счет водородных связей, образуя ассоциаты (Н₂О)х (при 20 °C степень ассоциации х составляет » 4). Вследствие этого температура плавления и температура кипения у воды аномальны и значительно выше, чем у водородных соединений других гидридов р-элементов VIA группы - H₂S, H₂Se и Н₂Те.

8

      Структура воды имеет сходство со структурой льда и тем больше, чем ее температура ближе к О °С. Молекулы воды расположены в структуре льда тетраэдрически (рис. 1).

Рис. 1. Схема тетраэдрической координации молекулы воды: сплошные линии - ковалентные связи; пунктирные линии - водородные связи

     Тетраэдрическое строение молекул воды представляет собой рыхлое образование с координационным числом 4. Плотные упаковки отвечают более высокому координационному числу. Атомы кислорода в структуре льда расположены относительно друг друга правильными тетраэдрами (атом кислорода связан с другими атомами кислорода, расположенными в вершинах тетраэдра на расстоянии 0,276 нм от центрального атома кислорода). В таких тетраэдрических образованиях каждый атом кислорода одной молекулы воды связан двумя ковалентными связями с двумя атомами водорода этой молекулы и двумя водородными связями с двумя атомами водорода других молекул воды. При этом каждый атом водорода затрачивает на связь с кислородом только половину заряда. Тетраэдры, содержащие пять молекул воды, послойно связаны с другими аналогичными тетраэдрами общими углами, а с расположенным выше слоем - вершинами, образуя сравнительно пористую гексагональную структуру льда. Близость угла Н-О-Н к тетраэдрическому (109,5°) обусловливает рыхлость структур льда и жидкой воды и, как следствие, аномальную зависимость плотности от температуры. Чем упорядоченнее укладка молекул воды, тем больше полостей в структуре и меньше плотность. Это имеет место для льда, особенно при низкой температуре. При нагревании водородные связи искривляются, что сопровождается отклонением углов между ними от тетраэдрических. Кристаллическая структура льда постепенно разрушается, и, наряду с частично сохранившимся каркасом, появляются неупорядоченные молекулы

9

воды, которые могут заполнять временно образовавшиеся пустоты, что объясняет аномалию льда - его меньшую плотность по сравнению с водой в жидком состоянии. С другой стороны, при нагревании средняя длина водородных связей становится больше, в результате чего плотность уменьшается. Совместное действие двух факторов объясняет наличие максимума плотности воды при +4 °С.
     Правильная тетраэдрическая структура воды (с тетраэдрическим углом 109,5°) устойчива лишь при очень низких температурах (-183 °С). Повышение температуры способствует разрушению структуры. Вблизи температуры плавления (0 °С) разрушается около 15 % всех водородных связей, при нагреве до 40 °С разрушается примерно 50 %, а при переходе в пар разрушаются все (100 %) водородные связи. Таким образом, в жидкой воде водородные связи сохраняются лишь частично, и тем их меньше, чем выше температура.
     Способность молекул воды образовывать трехмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО2, CI2, (СН₂)гО, СНС1₃ и многими другими веществами так называемые газовые гидраты. Это свойство воды играет большую роль в химических процессах, происходящих в различных системах, в том числе биологических. Растворимость малополярных веществ (в том числе газов, входящих в состав атмосферы) в воде низкая и при повышении температуры обычно сначала снижается, а затем проходит через минимум. С ростом давления растворимость газов возрастает, проходя при высоких давлениях через максимум.

    1.2. Ресурсы пресных вод и их использование

     К водным ресурсам относят все запасы на планете поверхностных и подземных вод, почвенную влагу, воду ледников, водяные пары атмосферы. Общие запасы воды на Земле достаточно велики (—1,5 млрд км³) и вполне могут обеспечить потребности человечества при условии их рационального использования. Кроме того, этот природный ресурс, без которого невозможна жизнь, непрерывно возобновляется (табл. 1). Однако к пресным водам из них относится менее 2%,ак доступным для использования - не более 0,3 %.
     Термин водные ресурсы используют в разном смысловом назначении, что объясняется особенностями воды как природного ресурса. По ГОСТ 19179-73 водные ресурсы - запасы поверхностных и подземных вод какой-либо территории. Более узкое толкование этого термина приведено в Международном гидрологическом словаре (ЮНЕСКО-ВМО, Париж, 1992): водные ресурсы - доступные или могущие быть доступными для использования в регионе воды, определенного количества и качества, в течение данного периода при определенных потребностях. Так как из подземных источников и озер используется небольшой объем воды,


10