1. Техногенная химия
Вторая половина ХХ в. стала для человечества экологическим испытанием его устойчивого и безопасного развития. Загрязнение атмосферы, литосферы и Мирового океана, недостаток продовольствия и болезни стали глобальными проблемами современного общества. Для научного решения возникших проблем в рамках современной химии появились новые направления – техногенная химия и химия экстремальных состояний.
Техногенная химия как научное направление оформилась во второй половине ХХ в. в связи с ростом аварий и катастроф в химической промышленности. Ее предметом выступает анализ и оценка различных видов химически опасных объектов – пространств, на которых хранят, перерабатывают, используют или транспортируют опасные химические вещества, при аварии на которых или при разрушении которых может произойти гибель или химическое поражение людей, сельскохозяйственных животных и растений, а также химическое заражение окружающей природной среды. К таким объектам традиционно относят электростанции, предприятия химической промышленности, отраслей промышленности, где в технологическом процессе применяют опасные вещества и имеют место химические превращения (целлюлозно-бумажная, текстильная, пищевая, металлургическая промышленность), хранилища опасных веществ, транспорт, осуществляющий их перемещение, военно-химические объекты.
Авария – опасное техногенное происшествие, создающее угрозу жизни и здоровью людей и приводящее к разрушению сооружений и коммуникаций, а также к нанесению ущерба окружающей среде. Если авария создает угрозу жизни или здоровью людей либо вызывает человеческие жертвы, она носит название «катастрофа».
Наиболее опасные последствия вызывают пожары, взрывы, обрушения и аварии на атомных электростанциях и химических предприятиях. На предприятиях нефтяной, химической и газовой промышленности аварии вызывают загазованность, разлив нефтепродуктов, агрессивных жидкостей и сильнодействующих ядовитых веществ. За последние 30 лет количество аварий увеличилось в 2,5 раза. При этом количество жертв увеличилось в 6 раз, а экономический ущерб – в 11 раз.
Значительную опасность представляют сильнодействующие ядовитые вещества – (химические соединения, обладающие высокой токсичностью и способные при определенных условиях (в основном при авариях на химически опасных объектах) вызывать массовые отравления людей и животных, а также заражать окружающую среду. В настоящее время взместо старого термина используется термин «аварийно химически опасные вещества» – это опасное химическое вещество, применяемое в промышленности и сельском хозяйстве, при аварийном выбросе (разливе) которого может произойти заражение окружающей среды в поражающих живой организм концентрациях (токсодозах).
По клинической картине поражения различают следующие виды сильнодействующих ядовитых веществ:
1.Вещества с преимущественно удушающими свойствами: с выpаженным пpижигающим действием (хлор,трёххлористый фосфор); со слабым пpижигающим действием (фосген, хлорпикрин, хлорид серы).
2.Вещества преимущественно общеядовитого действия: оксид углерода, синильная кислота, этиленхлорид и дp.
3.Вещества, обладающие удушающим и общеядовитым действием: с выpаженным пpижигающим действием (акрилонитрил); со слабым пpижигающим действием (оксиды азота, сернистый ангидрид).
4.Нейротропные яды (вещества, действующие на проведение и передачу нервного импульса, нарушающие действия центральной и периферической нервных систем): фосфорорганические соединения, сероуглерод.
5.Вещества, обладающие удушающим и нейротропным действием (аммиак).
6.Метаболические яды: с алкилирующей активностью (бромистый метил, этиленоксид, метилхлорид, диметилсульфат); изменяющие обмен веществ (диоксин).
При оценке потенциала опасности используется методология теории риска, определяющая сочетание вероятности и последствий наступления неблагоприятных событий. Изучение риска проводится в три стадии:
1. Первая стадия: предварительный анализ опасности. Риск чаще всего связан с бесконтрольным освобождением энергии или утечками токсических веществ (факторы мгновенного действия). Обычно одни отделения предприятия представляют большую опасность, чем другие, поэтому в самом начале анализа следует разбить предприятие, для того чтобы выявить такие участки производства или его компоненты, которые являются вероятными источниками бесконтрольных утечек. Поэтому первым шагом будет: выявление источников опасности (например, возможны ли утечки ядовитых веществ, взрывы, пожары и т.д.?); определение частей системы (подсистем), которые могут вызвать эти опасные состояния (химические реакторы, емкости и хранилища, энергетические установки и др.)
2. Вторая стадия: выявление последовательности опасных ситуаций. Начинается после того, как определена конфигурация системы и завершен предварительный анализ опасностей. Анализ риска на второй стадии начинается с прослеживания последовательности возможных событий, начиная от инициирующего события (разрушения трубопровода холодильной установки). Заканчивается определением всех возможных вариантов отказов в системе и нахождением значений вероятности для этих вариантов.
3. Третья стадия: анализ последствий. При анализе последствий используются данные, полученные на стадии предварительной оценки опасности и на стадии выявления последовательности опасных ситуаций.
Потенциальные риски и угрозы техногенного характера испытывает на себе и наша страна, обладающая развитой химической и нефтехимической промышленностью. Богатство ресурсов калийных и каменных солей, древесины, фосфоритов, мела и известняков, природных красителей в сочетании с трудовыми ресурсами и большим спросом на продукты химической отрасли позволяют увеличивать объемы производства. Основная часть предприятий входит в состав концерна "Белнефтехим. Концерн поставляет на внешний рынок около 70% производимой продукции.
Крупнейшие предприятия отрасли - РУП "ПО" Беларуськалий ", ОАО" Гродно Азот ", ОАО" Гомельский химический завод ". Беларусь является одним из крупнейших в мире производителей и экспортеров калийных удобрений. На долю РУП "ПО" Беларуськалий "приходится более 14% мировых производственных мощностей и около 16% мирового экспорта калийных удобрений. Сбыт продукции осуществляется в страны мира, в т. ч. в страны Азии, Латинской и Северной Америки, Африки.
В республике производятся все основные виды химических волокон и нитей: полиамидные (ОАО "Гродно Химволокно"), полиэфирные (ОАО "Могилевхимволокно" и РУП "СПО" Химволокно "), полиакрилонитрильные (ОАО" Полимир "), вискозные технические и текстильные (РУП" СПО "Химволокно» и ОАО "Могилевский ЗИВ). Имеющиеся мощности позволяют достичь объема производства данной продукции до 300 тыс. т в год.
Кроме увеличения объемов выпуска традиционного ассортимента, освоены новые виды товаров: цельнометаллокордные шины для карьерной техники, химические волокна и нити с повышенными потребительскими свойствами, новые виды кордов для шинной промышленности, удобрения пролонгированного действия для различных видов открытого грунта и тепличных хозяйств, новая долговечная основа для кровельных материалов.
Химия экстремальных состояний как направление в химии появилась в середине XIX в. Основным предметом выступают исследования химических процессов в сверхкритических средах. В качестве первой и основной экспериментальной среды выступала вода, затем к ней добавились (по мере определения критической точки) диоксид углерода, ксенон, этанол, этан, этилен, аммиак, оксид одновалентного азота.
Сверхкритические состояния воды имеют важное экологическое значение при обезвреживании органических отходов, извлечении тяжелых металлов, переработке радиоактивных жидких отходов, разложении синтетических полимеров и диоксинов.
Значительную роль имеет использование сверхкритических сред для осуществления каталитических реакций, в которых катализатор проявляет наибольшую устойчивость. При взаимодействии реагентов с катализатором происходит ослабление исходных химических связей. Оно возможно при энергетической активизации реагента, которая достигается при тепловом либо радиоактивном воздействии. Вопросами энергетической активизации реагента занимается современная химия экстремальных состояний, которая включает плазмохимию, радиационную химию, химию высоких энергий, высоких давлений и температур.
Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме. Плазма – это ионизированный газ. Различают слабоионизированную, или низкотемпературную, и высокотемпературную плазму. В плазмохимии рассматриваются процессы при температурах от 1000 до 10 000 °С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и, что особенно важно, очень высокими скоростями реакций.
В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет около 10-13 с. Плазмохимические процессы поэтому очень высокопроизводительны.
Метановый плазмотрон с производительностью 75 т ацетилена в сутки имеет сравнительно крохотные размеры – длину 65 см и диаметр 15 см. Такой плазмотрон заменяет огромный завод. При температуре 3000–3500 °С за одну десятитысячную долю секунды 80 % метана превращается в ацетилен. Степень использования энергии достигает 90–95 %, а энергозатраты составляют не более 3 кВтч на 1 кг ацетилена. В паровом реакторе пиролиза метана энергозатраты вдвое больше.
Создается плазмохимическая технология производства мелкодисперсных порошков – основного сырья для порошковой металлургии. Разработаны методы синтеза карбидов, нитридов, карбонитридов таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, ниобий и молибден, при энергозатратах не более 1–2 кВтч на 1 кг. Таким образом, химия высоких энергий направлена на существенную экономию энергии.
Созданы плазменные сталеплавильные печи, выдающие высококачественный металл. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхности инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз.
Плазмохимия позволяет синтезировать такие ранее не известные материалы, как металлобетон, в котором в качестве связывающего вещества используются сталь, чугун, алюминий.
Радиационная химия – сравнительно молодая отрасль химии экстремальных состояний, ей немного более 40 лет. В настоящее время радиационная химия изучает превращение самых разнообразных веществ под действием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы.
В результате радиационно-химических реакций из кислорода образуется озон. Облучение полиэтилена, поливинилхлорида и многих других полимеров приводит к повышению их термостойкости и твердости.
Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, получение полимербетонов путем пропитки обычного бетона тем или иным мономером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью.
Химия высоких энергий – раздел физической химии, описывающий химические и физико-химические процессы, происходящие в веществе при воздействии нетепловыми энергетическими агентами – ионизирующим излучением, светом, плазмой, ультразвуком, механическим ударом и другими
Важное промышленное значение приобрело использование диоксида углерода в качестве сверхкритической среды. Это обеспечивает экстракцию кофеина, получение фармацевтических препаратов, химическую чистку материалов, нанесение лакокрасочных покрытий и пленок, получение полимеров, сушку аэрогелей, приготовление пеноматериалов.
Химия высоких давлений – раздел физической химии, описывающий химические и физико-химические процессы, происходящие в веществе под высоким давлением. При сжатии газовых реакционных смесей в области давление, ограниченных десятками МПа, наблюдается увеличение скорости реакций и смещение химического равновесия. Так, давление существенно влияет на равновесие электролитической диссоциации кислот и оснований, изменяет концентрацию комплексов с переносом заряда, влияет на равновесие кето-енольной таутомерии, на конформационное равновесие, смещает равновесие мономер-полимер и т.д.
Химия высоких температур занимается изучением процессов, происходящих при температурах от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов.
2. Глобальные проблемы современности и здоровье человека
Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них – газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Выбросы в атмосферу хлор- и бромсодержащих фреонов ведет к разрушению озонового слоя и образованию «озоновых дыр» – локальному падению концентрации озона в озоновом слое Земли.
До вмешательства человека процессы образования озона и его разрушения находились в равновесии. Но фреоны, выбрасываемые при человеческой деятельности, сместили это равновесие в сторону уменьшения концентрации озона. Что же касается полярных озоновых дыр, то здесь ситуация совершенно иная. Механизм разрушения озона в принципе отличается от более высоких широт, ключевой стадией является превращение неактивных форм галогенсодержащих веществ в оксиды, которая протекает на поверхности частиц полярных стратосферных облаков. И в результате практически весь озон разрушается в реакциях с галогенами, за 40–50 % ответственен хлор и порядка 20–40 % – бром. Срок существования различных лорфторуглеводородов в атмосфере от 74 до 111 лет. Расчетным путем доказано, что за это время один атом хлора способен превратить в кислород 100 тыс. молекул озона.
По мнению врачей, каждый потерянный процент озона в масштабах планеты вызывает до 150 тыс. дополнительных случаев слепоты из-за катаракты, на 2,6 % увеличивается количество раковых заболеваний кожи, значительно возрастает число болезней, вызванных ослаблением иммунной системы человека. Наибольшему риску подвержены жители северного полушария со светлой кожей. Но страдают не только люди. УФ-излучение, например, крайне вредно для планктона, мальков, креветок, крабов, водорослей, обитающих на поверхности океана.
Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию повышения среднегодовой температуры на планете. Продолжается загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 1/5 его общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать существенные нарушения газо- и водообмена между атмосферой и гидросферой. Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы.
Среди твердых отходов, загрязняющих поверхность Земли, наибольшую опасность для человека имеют радиоактивные отходы, возникающие в результате добычи и переработки радиоактивных руд, производства ядерного топлива, деятельности лабораторий и механической обработки материалов на заводах по производству топлива. Физические и химические процессы очистки воздуха и обработки жидкостей дают полужидкие отходы и концентраты. Радиоактивное загрязнение оборудования и рабочих происходит при всех указанных типах работ, и поэтому загрязненные материалы перерабатываются или удаляются.
Радиация, существующая на свалках радиоактивных отходов, вызывается распадом атомов радиоактивных веществ, присутствующих в отходах. Столкновение продукта распада с атомом в воздухе, теле человека или материале приводит к выбиванию электрона, образуется положительно заряженный ион. Выбитый электрон может присоединиться к другому атому, зарядив его отрицательно, что может нарушить равновесие в тканях тела и вызвать разрушение клеток.
Радиоактивные изотопы некоторых элементов имеют период полураспада, измеряющийся лишь секундами. С другой стороны, изотоп углерода 14, широко используемый в биологических исследованиях, имеет период полураспада 5568 лет.
В любом реакторном топливе образуются сотни продуктов деления, и их периоды полураспада имеют значения от секунд до тысяч лет. При удалении таких отходов особое внимание уделяется долгоживущим продуктам деления, в частности изотопу стронция 90 и изотопу цезия 137, которые опасны для живых тканей.
Для обработки растворимых или химически активных газов, содержащих радиоактивные элементы или соединения, применяют газоабсорбционные методы, в том числе насадочные колонны, твердые абсорбенты и реакции типа «твердое вещество – газ». Радиоактивные вещества, растворенные в воде или других жидкостях, удаляют методами химического осаждения, обработкой ионообменными смолами, анионными либо катионными, или посредством полной деминерализации, выпариванием.
Захоронение жидких отходов низкого и промежуточного уровней радиоактивности в землю возможно при определенных климатических и геологических условиях. В настоящее время исследуется возможность захоронения высокорадиоактивных жидких отходов в естественных и искусственных подземных пустотах, в подземных либо подводных полостях гранита, мерзлой глине или соляных шахтах и куполах.
Твердые отходы могут удаляться путем захоронения, сжигания или переплавки (в случае металлических отходов).
Переработка урановой руды и другие процессы в атомной промышленности ведут к появлению больших количеств загрязненного чугунного и стального оборудования. Такие материалы могут быть вновь использованы: при переплавке уран уносится со шлаком и уже не представляет опасности для здоровья.
Химическое загрязнение атмосферы вызвано тремя основными источниками – промышленностью, бытовыми котельными, транспортом. Наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнений – теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.
Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты.
Химическое загрязнение природных вод представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностноактивные вещества, пестициды).
Одним из условий развития химической промышленности современная наука выдвигает обеспечение энергетической безопасности, которая включает в себя комплексную оценку техногенной опасности объекта энергетики: взрывобезопасность, промышленную, электрическую, пожарную безопасность, электромагнитную, механическую, экологическую, радиационную, ядерную и химическую безопасность и т.п. Кроме этого, энергетическая безопасность в химической области может быть рассмотрена также в политическом и в экономическом аспектах. Обладание ядерными технологиями позволяет, с одной стороны повысить престиж государства и его влияние, с другой стороны, уменьшить зависимость национальной экономики от импорта энергоносителей, тем самым, снизить себестоимость выпускаемой на внутреннем рынке продукции.
В последние годы в мире наблюдается рост потребности в атомной энергетики (отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии). Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.
Хотя в любой области энергетики первичным источником является ядерная энергия (например, энергия солнечных ядерных реакций в гидроэлектростанциях и электростанциях, работающих на органическом топливе, энергия радиоактивного распада в геотермальных электростанциях), к ядерной энергетике относится лишь использование управляемых реакций в ядерных реакторах.
Сегодня в мире действует 436 энергетических ядерных реакторов общей мощностью 371,923 ГВт. Ядерный сектор энергетики наиболее значителен в промышленно развитых странах, где недостаточно природных энергоресурсов – во Франции, Бельгии, Финляндии, Швеции, Болгарии и Швейцарии. Эти страны производят от 20 до 74 % (во Франции) электроэнергии на АЭС. США на АЭС производят только 1/8 своей электроэнергии, однако это составляет около 20 % мирового производства. На Украине вклад ядерной энергетики в общую выработку составляет почти 50 %.
Главный недостаток атомной энергетики – тяжелые последствия аварий, для исключения которых АЭС оборудуются сложнейшими системами безопасности с многократными запасами и резервированием, обеспечивающими исключение расплавления активной зоны даже в случае максимальной проектной аварии (местный полный поперечный разрыв трубопровода циркуляционного контура реактора). Серьёзной проблемой для АЭС является также их ликвидация после выработки ресурса, по оценкам она может составить до 20 % от стоимости их строительства.
Одной из проблем ядерной энергетики является тепловое загрязнение. По мнению некоторых специалистов, атомные электростанции, «в расчете на единицу производимой электроэнергии», выделяют в окружающую среду больше тепла, чем сопоставимые по мощности ТЭС. В качестве примера можно привести проект строительства в бассейне Рейна нескольких атомных и теплоэлектростанций. Расчеты показали, что, в случае запуска всех запланированных объектов, температура в ряде рек поднялась бы до 45°С, уничтожив в них всякую жизнь.
В настоящее время разрабатываются международные проекты ядерных реакторов нового поколения, например ГТ-МГР, которые обещают повысить безопасность и увеличить КПД АЭС, разрабатываются малогабаритные реакторы с использованием безопасных технологий, многократно уменьшающих возможность утечки ядерного вещества; ведутся работы по созданию атомных реакторов нового поколения, способных производить в больших количествах водород (прогнозируется, что один энергоблок атомной электростанции следующего поколения будет производить ежедневно водород, эквивалентный 750000 литров бензина). Финансируются исследования возможностей производства водорода на существующих атомных электростанциях.
Более интересной, хотя и относительно отдалённой перспективой выглядит использование энергии ядерного синтеза. Термоядерные реакторы, по расчётам, будут потреблять меньше топлива на единицу энергии, и как само это топливо (дейтерий, литий, гелий-3), так и продукты их синтеза не радиоактивны и, следовательно, экологически безопасны.
Обобщив международный и национальный опыт в преодолении глобальных проблем, вызванных химическим воздействием, в качестве основных путей улучшения экологической ситуации современная наука предлагает обеззараживание, нейтрализацию и складирование твердых отходов на специализированных полигонах.
Выполнение этих операций сопряжено с большими материальными затратами. Мониторинг состояния отходов в процессе хранения (захоронения), поддержание надлежащего технического состояния полигонов и выведение значительных участков территорий из землепользования также приводят к безвозвратным потерям финансовых и земельных ресурсов.
Лишь небольшая часть отходов подвергается переработке с целью извлечения отдельных химических веществ (например, редкоземельных и цветных металлов) или утилизируется при производстве строительных материалов (например, цементов).
Наиболее характерный пример нейтрализации промышленных отходов – их сжигание. Этот метод не может рассматриваться как экономически оправданный или ресурсосберегающий, поскольку многие органические вещества, которые могли бы быть использованы, сжигаются с дополнительными затратами энергии. Кроме того, содержащиеся в отходах тяжелые металлы переходят в оксидную форму и остаются в золе. Концентрация их в зольных остатках на два-три порядка (а иногда и более) выше, чем в сжигаемых отходах. Хотя метод сжигания позволяет значительно сократить объем отходов, при этом образуются еще более опасные для окружающей среды продукты в виде золы и шлаков, требующие специальных мер по утилизации или захоронению, а также вредные для биосферы газы.
Для переработки токсичных отходов в европейских странах широко используется технология экобетонирования – смешивание отходов (после их нейтрализации) с цементом, известью или диоксидом кремния с последующим отвердеванием смеси. При правильном смешивании отходов с вяжущим агентом ионы тяжелых металлов оказываются связанными твердой фазой и таким образом противостоят выщелачиванию. Происходит своеобразное «капсулирование» токсичных веществ в твердой матрице – цементном камне, не пропускающем экотоксиканты в окружающую среду. Однако такая технология требует предварительной нейтрализации отходов, а для этого необходимо большое количество химических реагентов. Нужны также вяжущие вещества – цемент, известь и т. п. Кроме того, ряд веществ, составляющих отходы (например, серосодержащие), могут вызывать деградацию цементного камня, что приводит к постепенному разрушению твердой матрицы и проникновению загрязнителей в окружающую среду.
На рубеже ХХ и ХХI вв. появился новый метод экобетонирования на основе минерально-матричной технологии обезвреживания различных видов промышленных отходов (жидких, вязкопластичных и твердых): при рационально подобранных компонентах системы суммируются потенциальные положительные химические свойства составляющих системы и их механические характеристики. Данные технологии переработки промышленных отходов позволяют формировать безопасные для окружающей среды искусственные грунты, которые при соответствующей корректировке их состава могут быть использованы как строительные материалы (типа укрепленных грунтов) и в виде рекультивационных смесей и гидроизоляционных материалов.
С помощью интеграционной минерально-матричной технологии возможно производство сельскохозяйственных удобрений из различных органических отходов. При этом могут быть использованы активные илы и кек очистных сооружений бытовых стоков, илы (осадки) прудов-отстойников, фекальные массы животноводческих ферм, органические отходы пищевой промышленности и т. д. Обязательной стадией переработки органических отходов в удобрения является их обеззараживание и упреждение процессов гниения, так как большая часть органических отходов загрязнена различными видами микроорганизмов, в том числе и патогенных. Такое обеззараживание достигается в результате щелочного гидролиза. В качестве щелочного реагента наиболее предпочтительно применять кальциевую известь. В процессе щелочного гидролиза происходит «омыление» белковых и жировых соединений. Содержащаяся в отходах микрофлора при этом полностью погибает, что, собственно, и обеспечивает обеззараживание перерабатываемой массы и упреждает дальнейшие процессы гниения. Следующей обязательной технологической стадией переработки указанных отходов в удобрения является их обезвреживание от тяжелых металлов и других экотоксикантов. В большинстве органических отходов основными загрязнителями обычно являются соединения и комплексы на основе тяжелых металлов, таких как свинец, ртуть, цинк, медь, никель, мышьяк и кадмий, а также различные виды углеводородов. На заключительной стадии процесса переработки отходов дополнительно вносятся наполнители (растительный грунт, торф и т. п.). Они позволяют регулировать щелочной баланс получаемого продукта до рациональных значений применительно к удобряемым почвам.
Удобрения, полученные таким способом, содержат все «элементы жизни» – азот, фосфор, калий, кальций и микроэлементы – в доступной для растений форме.
Наиболее известные всемирные инициативы в преодолении глобальных проблем современности: попытки решения демографической проблемы, ядерного разоружения, энергосбережения, реализации Монреальского протокола (1989) (борьба с озоновыми дырами), Киотского протокола (1997) (борьба с глобальным потеплением), а также деятельность Римского клуба (с 1968 г.), организации которая изначально считала одной из главных своих задач привлечение внимания мировой общественности к глобальным проблемам. Ежегодно готовится один доклад. Наиболее значимые доклады: «Пределы роста» (Д. Медоуз, 1972), «Человечество у поворотного пункта» (М. Месарович, Э. Пестель, 1974), «Пересмотр международного порядка» (Я. Тинберген, 1975), «Энергия: обратный счет» (Т. де Монбриаль, 1978), «Третий мир: три четверти мира» (М. Гернье, 1980), «Императивы сотрудничества Севера и Юга» (Ж. Сен-Жур, 1981), «Будущее Океанов» (Э. Манн-Боргезе, 1986), «За пределами роста» (Э. Пестель, 1989), «Африка, победившая голод» (А. Лемма и П. Маляска, 1989), «Считаться с природой» (В. Дирен, 1995), «Демографическая революция и информационное общество» (С.П. Капица, 2001), «2052: Глобальный прогноз на ближайшие сорок лет» (Й. Рандерс, 2012).
Необходимость решения экологических проблем очевидна в современном мире. В развитых странах решению такого рода проблем уже долгое время уделяется большое внимание. Сфера современной промышленности немыслима без реализации политики здоровья человека, важное место в реализации которой отводится технологиям безотходного производства, которое подразумевает наиболее рациональное использование природных ресурсов и энергии в замкнутом цикле. Замкнутый цикл означает цепочку: «первичное сырьё – производство – потребление – вторичное сырьё».
Основными принципами безотходной технологии являются: системный подход, комплексное использование ресурсов, цикличность материальных потоков, ограничение воздействия на окружающую среду, рациональная организация.
Например, в энергетике твёрдое и жидкое топливо при сжигании используются не полностью, а также образуют вредные продукты. Существует методика сжигания топлива в кипящем слое, которая более эффективна и экологически безопасна. Газовые выбросы очищают от оксидов серы и азота, а золу, образующуюся как результат фильтрации, используют при производстве строительных материалов. В цветной металлургии стало перспективным применение метода плавки в жидкой ванне, требующее меньших затрат энергии и вызывающее меньший объём выбросов. Получаемые же в результате серосодержащие газы могут использоваться в производстве серной кислоты и элементарной серы. Порошковая металлургия также является безотходной технологией. Коэффициент использования материала – 98-99%.
В тех случаях, когда полностью реализовать возможности безотходного производства невозможно реализуется малоотходная технология – промежуточная ступень перед созданием безотходной технологии, подразумевающая приближение технологического процесса к замкнутому циклу. При малоотходной технологии вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарными органами. Часть сырья всё же превращается в отходы и подвергается длительному хранению или захоронению.
Химические знания и открытия используются не только для решения экологических проблем, но и для поиска новых фармакологических средств улучшения здоровья и качества жизни человека.
Фармакологическая химия занимается исследованием взаимодействий химических соединений с живыми организмами. Значительный рост фармакологической химии пришелся на начало XIX в., когда химически были синтезированы морфин, хинин и мочевина. Начиная с 40-х гг. XIX в. в медицинскую практику были внедрены первые средства для наркоза (эфир, хлороформ, закись азота), снотворное средство хлоралгидрат, местноанестезирующее средство кокаин, сосудорасширяющее средство нитроглицерин. В начале XX в. были сформулированы основные принципы химиотерапии инфекций, синтезирован первый противосифилитический препарат – сальварсан, выделен первый витамин (В) и первые противоаритмические средства (хинидин).
1920-е гг. знаменательны получением инсулина и открытием пенициллина. В 1930-х гг. крупным событием стало установление антибактериальной активности. К этому же периоду относится синтез высокоэффективного инсектицида – дихлордифенилтрихлорметилметана.
Наиболее значительными достижениями 1940-х гг. являются: получение и внедрение в практику пенициллина, стрептомицина и других антибиотиков; выделение глюкокортикоидов и их применение в качестве противовоспалительных и противоаллергических средств; установление противобластомной активности у азотистых ипритов; применение кураре в анестезиологии и создание синтетических курареподобных средств.
Большие успехи фармакологии относятся к 1950-м гг.: созданы первые эффективные психотропные средства (аминазин, мепробамат, имипрамин), синтезированы противодиабетические средства, анаболические стероиды, антиметаболиты, гормональные контрацептивные средства.
В 1960-х гг. арсенал противомикробных средств пополнили полусинтетические пенициллины, цефалоспорины, рифамицины, синтезируется значительное число активных нестероидных противовоспалительных средств.
В 1970-х гг. открыт высокоэффективный противогерпетический препарат ацикловир, появились первые избирательные ингибиторы синтеза холестерина.
В 1980-х гг. синтезированы ингибиторы протонового насоса, тканевый активатор профибринолизина, противомикробные средства – фторхинолоны, показано благоприятное влияние на больных СПИДом препарата зидовудина.
В 1990-х гг. создана новая группа противовоспалительных средств.
В конце XX – начале XXI вв. были внедрены новые препараты моноклональных антител, новые антибиотики.
Одна из важнейших задач химической фармакологии заключается в изыскании новых эффективных и безопасных лекарственных средств. Основной путь их создания – это химический синтез. Используются также природные соединения из растений, тканей животных, минералов. Многие ценные препараты являются продуктами жизнедеятельности грибов, микроорганизмов. Важнейшую роль играют клеточная и генная инженерия.
Диапазон фармакологических исследований очень широк. Он включает изучение влияния веществ на биологические системы разной сложности – от целостного организма до отдельных клеток, субклеточных образований, рецепторов и ферментов. Полученные результаты после клинических испытаний воплощаются в готовые лекарственные препараты.
Важным направлением деятельности для химиков и медиков становится недопущение распространении и использования химического оружия, действие которого основано на токсических свойствах отравляющих веществ, и средства их применения: артиллерийские снаряды, ракеты, мины, авиационные бомбы, газомёты, системы баллонного газопуска, выливные авиационные приборы, гранаты, шашки; наряду с ядерным и биологическим (бактериологическим) оружием, относится к оружию массового поражения.
По характеру физиологического воздействия на организм человека выделяют шесть основных типов отравляющих веществ: нервно-паралитического действия, воздействующие на центральную нервную систему (зарин, зоман, табун и V-газы); кожно-нарывного действия, наносящие поражение главным образом через кожные покровы, а при применении их в виде аэрозолей и паров – также и через органы дыхания (иприт, люизит); общеядовитого действия, которые, попадая в организм, нарушают передачу кислорода из крови к тканям (синильная кислота и хлорциан); удушающего действия, поражающие главным образом легкие (фосген и дифосген); психохимического действия, способные на некоторое время выводить из строя живую силу противника (хинуклидил-3-бензилат (BZ) и диэтиламид лизергиновой кислоты); раздражающего действия, или ирританты: слезоточивые вещества, вызывающие обильное слезотечение, и чихательные, раздражающие дыхательные пути (хлорацетофенон, хлорпикрин, адамсит, дифенилхлорарсин, дифенилцианарсин).
Боевые отравляющие вещества являются основным поражающим элементом химического оружия.
В комплекс мероприятий по защите от боевых отравляющих веществ входят их индикация или обнаружение, дегазация, дезинфекция, а также использование средств индивидуальной защиты (противогазы, изолирующие дыхательные аппараты, плащи, костюмы из прорезиненной ткани, антидоты, защитные крема) и коллективной химической защиты.
Эффективными и специфическими средствами профилактики поражений и лечения пораженных отравляющими веществами являются антидоты отравляющих веществ (противоядия отравляющих веществ). Они имеются в качестве средств первой помощи во всех медпунктах и лечебных учреждениях, а также состоят на оснащении подразделений и этапов медицинской эвакуации в системе медицинской службы войск и гражданской обороны.
К антидотам отравляющих веществ относятся средства дезинтоксикации, происходящей вследствие адсорбции и последующего удаления отравляющих веществ из организма или вследствие химической нейтрализации их с образованием нетоксических (малотоксических) веществ. По способу действия антидоты отравляющих веществ разделяются на четыре группы.
1. Антидоты физико-химического действия включают в себя обволакивающие и адсорбирующие вещества. В практике широкое распространение получили только последние – активированный (древесный, животный) уголь и белая глина. Эти средства эффективны лишь в случае раннего применения, до всасывания отравляющих веществ в кровь.
2. Антидоты химического действия обезвреживают отравляющие вещества в крови и тканях пострадавшего вследствие нейтрализации ОВ или образования малотоксических либо безвредных веществ. Так, например, при отравлении синильной кислотой применяют гипосульфит натрия; образующиеся при этом безвредные роданистые соединения выводятся из организма с мочой. Дифосген можно нейтрализовать гексаметилентетрамином (уротропином) в случае раннего применения последнего, то есть до всасывания отравляющих веществ в ткани и кровь пострадавшего. Как лечебное средство гексаметилентетрамин бесполезен из-за быстрого гидролиза дифосгена в организме.
3. Антидоты конкурентного действия непосредственно на отравляющие вещества не действуют, но вступают с ними в конкурентные отношения (антагонизм) за влияния на реактивные системы организма. На этом принципе основано применение кислорода в качестве антидота при отравлении окисью углерода; тиоловых соединений – при поражении люизитом; реактиваторов холинэстеразы – препаратов группы пиридина (ПАМ, ТМБ-4), гидроксиламина – при поражении отравляющими веществами типа зарин; атропина и других холинолитиков – при поражении отравляющими веществами нервно-паралитического действия.
4. Антидоты физиологического действия вызывают физиологический эффект, противоположный действию отравляющих веществ. Например, барбитураты назначают при судорожном синдроме, вызванном фосфорорганическими отравляющими веществами.
В качестве антидотов цианистых соединений применяют хромосмон (метиленовый синий в смеси с глюкозой). Иногда применяют несколько антидотов последовательно. Так, при отравлении цианидами вначале вводят метгемоглобинообразователи (амилнитрит), затем серусодержащие вещества (гипосульфит) и глюкозу; при поражении отравляющими веществами типа зарин – большие дозы холинолитиков (атропин) и реактиваторов холинэстеразы (ПАМ), а в тяжелых случаях – и наркотические препараты.
Эффективность антидотной терапии зависит от возможно более раннего начала лечения, примененных средств и ряда других условий.
Лечебные антидоты применяют после воздействия отравляющих веществ, антидоты профилактические – за полчаса – час до предполагаемого контакта с отравляющими веществами. Сроки применения антидотов, необходимость повторного их использования, выбор доз и путей введения определяются их свойствами, клинической картиной и степенью тяжести поражения отравляющими веществами, а также условиями, в которых оказывается медпомощь и производится лечение пострадавшего.
Для многих отравляющих веществ (иприт, дифосген), а также для BZ (отравляющие вещества, вызывающие временные, обратимые, психозы) антидотов не найдено. В таких случаях проводится неспецифическое лечение пострадавших.
3. Химические методы в судебной экспертизе
Основной задачей судебно-химической экспертизы является выбор оптимального метода изолирования веществ. Для обнаружения и идентификации химических и лекарственных веществ используются как предварительные методы (цветные реакции, тонкослойная хроматография, иммунноферментные методы), так и подтверждающие – инструментальные (спектрофотометрия в видимой, УФ- и ИК-областях, атомно-абсорбционная спектрофотометрия, газожидкостная хроматография, высокоэффективная жидкостная хроматография, хроматомасс-спектрометрия).
Судебно-химическое исследование может быть проведено на определенное соединение, группу веществ или на неизвестное вещество по схеме общего судебно-химического исследования в зависимости от вопросов, поставленных в сопроводительном документе. Если в ходе исследования возникает необходимость в проведении анализа на другие вещества, то эксперт обязан расширить исследование.
Для исследования применяют лишь те методы и процедуры, которыми эксперт владеет, знает все условия проведения, сможет учесть все ошибки, возникающие при их применении. Любые изменения метода или процедуры должны быть четко документированы, объяснены причины их изменения.
В зависимости от поставленных задач разрабатывается соответствующая схема анализа. Если он направлен на обнаружение одного яда или группы веществ, то применяют специально разработанные частные методики. По возможности применяют не менее двух независимых методов, каждый из которых основан на различных физических или химических принципах, для надежной идентификации. Если требуется обнаружить или исключить широкий круг ядов без специального задания (общий ход анализа на «неизвестное» вещество), то применяют комплексный подход для систематического хода исследования, целью которого является обнаружение токсических веществ, их идентификация и количественное определение. Для этого проводят скрининг-анализ с последующим применением подтверждающих методов, основанных на различных аналитических принципах. Результаты каждого метода сравнивают с соответствующими данными, что позволяет ограничить круг подозреваемых веществ. В случае обнаружения какого-либо соединения для надежной идентификации последнего проводят сравнительный анализ предполагаемого токсического вещества с соответствующим стандартом подлинного вещества или применяют метод добавок к биологическому материалу, а также учитывают результаты контрольного опыта.
Каждое судебно-химическое исследование следует проводить как количественное исследование, в которое оно и может быть превращено на любой стадии работы. Объекты для всех испытаний берут по массе и количеству, дистилляторы, диализаторы, фильтраты – по объему.
Количественное определение проводят во всех случаях, где это возможно и имеются соответствующие методики определения. Количества найденных веществ относятся к 100 г взятой для анализа навески объекта и выражаются в весовых единицах.
Все методы количественного определения апробируют на той биологической матрице, которая будет использоваться для анализа (кровь, моча, ткани органов), к которой добавляют заведомо известное количество вещества и подвергают исследованию по данной схеме анализа. При этом определяют пределы обнаружения и определения, абсолютный выход при различных концентрациях, диапазон определяемых содержаний для калибровочного графика (подчинение закону Бугера – Ламберта – Бера), селективность, воспроизводимость анализа. Для повышения точности определения обнаруживаемого вещества проводят не менее двух определений для каждого объекта. При проведении экспертизы убеждаются в химической чистоте используемых для анализа реактивов.
Для обеспечения высокого качества производства экспертизы проводят внутрилабораторный и внешний контроль качества, ориентированный как на метод, так и на определяемое вещество.
Химические методы занимают важное место в судебно-почвоведческой экспертизе, которая включает в себя экспертизу почвенных наслоений на объекте-носителе, землеустроительную экспертизу, эколого-почвоведческую экспертизу, минералогическую экспертизу.
В настоящее время в наибольшей степени разработаны теоретические и методические основы экспертизы почвенных наслоений на объекте-носителе и минералогической экспертизы, поскольку эти роды судебных экспертиз получили широкое распространение в ходе досудебного и судебного производства. Методические основы судебной землеустроительной и судебной эколого-почвоведческой экспертиз находятся на стадии формирования.