Техногенное и биологическое воздействие цинка на природу и организм человека

1. Экология человека

Термины «экология общества», «экология культуры», «экология души», «экология личности» и др. обозначают разные аспекты экологии человека. По другому основанию «экология выживания» и «экология среды» также правомерно рассматривать как отдельные стороны (проекции) экологии человека. Однако понятие экологии человека не может быть получено простым суммированием составляющих ее аспектов. Оно отражает некоторую особую качественную характеристику человеческого бытия.

В истории развития экологического мировоззрения бросок к экологии человека был совершен не сразу. Н.Н. Моисеев (1988) подразделяет ее на три этапа. Первоначально - в XIX в. - термин «экология» применялся для обозначения сферы исследований взаимосвязей между растительными и животными сообществами и окружающей средой. На следующем этапе постепенно пришло осознание того, что человек неотделим от действительности, будучи ее органичной составляющей. В фокусе внимания оказались взаимоотношения человека с природой: с одной стороны, особенности воздействия на природу в процессе производства, с другой, - обратного влияния природы, испытавшей это воздействие, на человека и общество. Так, параллельно «классической» экологии зародилась новая область знаний - экология человека. На передний план выдвинулись вопросы адаптации, «приспособления» человека к природе и природы к человеку, т.е. соответственно - «экологии выживания» и «экологии среды».

Последствия этого затронули сферу теории и практики экологического воспитания и образования. Во-первых, в рамках содержания образования (как и в рамках предмета самого экологического знания) экологическая проблематика оказалась сведенной к природно-экологической. Во-вторых, в экологическом воспитании утвердилась «парадигма ЗУН» в форме преобладающей установки на «ознакомление с природой» и вооружение детей умениями и навыками взаимодействия с конкретными природными объектами (при установлении ближайших связей между ними на основе полученных знаний). В-третьих, сами эти знания, умения и навыки носили преимущественно специализированный, утилитарно-эмпирический (по В.В. Давыдову) характер. В-четвертых, формируемые у детей представления о природных фактах и явлениях выступали как конгломерат «упрощенных» до уровня детского восприятия разрозненных сведений из области физики, астрономии, биологии и др. естественнонаучных дисциплин.

С другой стороны, это соответствовало узкому и в то же время доминирующему пониманию принципа природосообразности воспитания. Традиционно он отождествлялся (и поныне отождествляется) с требованиями (а) учитывать в педагогическом процессе наличные психофизиологические особенности (возрастные возможности) отдельного ребенка и (б) поддерживать систематический контакт ребенка с ближайшей - близкой и доступной ему природной средой, в которой он чувствует себя и развивается наиболее естественно. С подобными требованиями действительно едва ли целесообразно спорить. Но тогда уместен вопрос, аналогичный тому, который В.В. Давыдов сформулировал по отношению к принципам традиционной дидактики - доступности, сознательности и пр.: а велика ли «мудрость» этих принципов, если они декларируют столь тривиальные вещи?

В педагогике Нового времени принцип природосообразности формулировался как оппозиционный и вместе с тем как дополняющий по отношению к принципу культуросообразности (А. Дистервег, Ф. Фребель). В русле этой традиции, впитавшей дух европейского рационалистической философии (например, немецкого спирутализма - у Ф. Фребеля), принцип природосообразности требовал не только и не столько ориентации на «естественные» темпы психофизического роста ребенка и наличные условия его природного окружения, сколько - на универсальные метафизические законы и принципы существования Мироздания в целом и Мира живой природы в частности. Поэтому проблема «природосообразного - культуросообразного» не может интерпретироваться в современных терминах «биологического» и «социального», «наследственности» и «среды» и т.п. (см.: В.Т. Кудрявцев, В.И. Слободчиков и Л.В. Школяр, 2001. С. 6). Природа (понимаемая философски, а не с точки зрения специальных естественнонаучных представлений о разного рода физических, химических, биологических и пр. данностях) и Культура образуют ветвления единой всеобщей формы, в которой совершается процесс миростановления. Его фундаментальной движущей силой является совокупная «геологическая сила» (В.И. Вернадский), известная нам именем предметно-преобразующей деятельности человечества.

На протяжении практически всего XX столетия (если брать за точку отсчета известные труды В.И. Вернадского и П. Тейяра де Шардена, и их предтечи - Э. Леруа) вызревал новый этап развития научного экологического мировоззрения. На этом (четвертом по отношению к трем выделенным Н.Н. Моисеевым) этапе человек рассматривается не просто как «активная часть природы», а как формообразующий центр глобальной экосистемы. За экологическими проблемами всегда скрываются проблемы отношения человека и человечества к себе самому, к собственным возможностям и продуктам своей деятельности. Взаимодействие человека с природой изначально опосредованно этим отношением. Лишь по мере его формирования, осмысливания и переосмысливания (что составляет специальную задачу) могут получать свое решение различные экологические проблемы.

Признание человека - при всей его самоценности - «центром Мироздания» может показаться слишком большой авансом, который он выдает сам себе. Однако именно человек, человечество выступает живым олицетворением разумного, переживающего и действующего начала во Вселенной - олицетворением далеко не совершенным, но единственно известным нам на данный момент. В образе человека и человечества, Природа осознает себя и по мере этого одушевляется, одухотворяется. Она «получает шанс» взглянуть на самое себя как бы «со стороны», глазами «космического разума», о чем писал Б.Спиноза. Вполне естественно, что человечество все чаще начинает воспринимать природу как особый субъект и пытается завязать диалог, вступить в общение с ним (И. Пригожин, И. Стренгерс, Г.С. Батищев, Г.Д. Гачев и др.).

Отношение современного человека к природе становится для него (и для нее) самоотношением. Осознание данного обстоятельства во многом было вызвано объективной необходимостью, порожденной критической экологической ситуацией. Однако подобное отношение исторически проявилось задолго до наступления эпохи экологических кризисов в многообразных феноменах антропоморфизации природы. В своей исходной - диффузной, синкретичной и еще рационально не отрефлексивной - форме оно характеризовало ранние этапы человеческой истории (мифология). Спонтанные проявления сходных феноменов хорошо известны психологам в виде эффектов «персонификации» природных объектов, субъективного наделения их личностными атрибутами (С.П. Дерябо, В.А. Ясвин).

Утверждение фундаментального права живого на жизнь принадлежит исключительно человеку и человечеству. Только в человеческом обществе могла быть поставлена, например, проблема защиты «прав» животных (Н.Б. Игнатовская, 1988), о соблюдении которых эволюция, как известно, не «позаботилась». Это же относится и к широкому кругу проблем биоэтики, которые активно обсуждаются философами, экологами, представителями естественнонаучных дисциплин уже в течение многих десятилетий (конечно, при этом необходимо учитывать, что острота большинства биоэтических проблем обусловлена их специфически «человеческим» происхождением).

Деятельность человека по преобразованию природы нельзя однозначно оценивать без понимания того, как соотносятся, с одной стороны, ее общая направленность, с другой - конкретно-исторические особенности со всеми вытекающими из них ограничениями, которые могут оборачиваться негативными последствиями. Так, в человеческой деятельности преобладали и по сей день преобладают антиэкологические тенденции - бездушность и бездуховность и, как следствия, агрессивность, экспансионизм, стратегическая слепота, грубая «потребленческая», «пользовательская», прагматическая мотивация, безответственность и др. В итоге они начинают восприниматься как выражение некоторого абсолютного, неизменного порядка вещей. Это естественно наводит на мысль, что «всякий клочок природы, впервые подвергшийся обработке рукой человека, непременно должен вызвать чувство, похожее на впечатление потери чего-то невозвратимого» (Н.К. Рерих, 1975. С. 53). Но налицо лишь показатель исторической ограниченности, несовершенства человеческой деятельности (а не отражение ее общей природы). Такая «деятельность» порождает условия для возникновения и массового воспроизводства - хотя «массовость» не означает подлинной всеобщности, т.е. не характеризует суть явления, - столь же ограниченной и несовершенной формы экологического сознания (которое в действительности следовало бы назвать антиэкологическим).

Достаточно сказать, что оно раздроблено и подчас оперирует несовместимыми друг с другом категориями. Таково прямое следствие его «двойственной» ориентации - одновременно на принципы «экологии выживания» и «экологии среды». К примеру, если первая диктует установку на потребление в качестве сырья, продуктов питания и т.п. «экологически чистого материала» (а он, как известно, добывается ценой разрушения естества), то вторая нацеливает на выработку и реализацию системы тех или иных природоохранных мер. «Примирить» эти взаимопротиворечащие установки внутри единого экологического сознания весьма трудно.

Итак, главная проблема современной экологии - это проблема укорененности человека в мире, его универсальных связей внутри мирового целого, многообразных отношений к природной и социальной действительности, к самому себе как средоточию этих связей и отношений. Не в меньшей степени ее занимает и проблема формирования сознания, способного вобрать в себя интегральный образ мира - планетарного и шире - космического сознания.

2. Миграция цинка

Элемент цинк (Zn) в таблице Менделеева имеет порядковый номер 30 . Он находится в четвертом периоде второй группы. Атомный вес - 65,37. Распределение электронов по слоям 2-8-18-2.

Цинк представляет собой синевато - белый металл, плавящийся при 419° С, а при 913° С превращающийся в пар; плотность его равна 7,14 г/см ³ . При обыкновенной температуре цинк довольно хрупок, но при 100-110° С он хорошо гнется и прокатывается в листы. На воздухе цинк покрывается тонким слоем окиси или основного карбоната, предохраняющим его от дальнейшего окисления.

Вода почти не действует на цинк, хотя он и стоит в ряду напряжений значительно левее водорода. Это объясняется тем, что образующаяся на поверхности цинка при взаимодействии его с водой гидроокись практически нерастворима и препятствует дальнейшему течению реакции. В разбавленных же кислотах цинк легко растворяется с образованием соответствующих солей.

Кроме того, цинк подобно бериллию и другим металлам, образующим амфотерные гидроокиси, растворяется в щелочах. Если нагреть цинк на воздухе до температуры кипения, то пары его воспламеняются и сгорают зеленовато-белым пламенем, образуя окись цинка.

Цинк обычно сопутствует свинцу в земной коре, однако биосферная геохимия этих элементов существенно различается. В отличие от свинца, цинк - один из главных микроэлементов, он входит в состав многих ферментов, участвует в синтезе рибонуклеиновых кислот и хлорофилла. Большая часть цинка в растениях связана с легко разрушающимися тканями и быстро удаляется из растительных остатков (в отличие от свинца, который прочно фиксирован в растительных остатках). Водорастворимые формы цинка составляют очень небольшую часть от общей массы металла, однако они активно вовлекаются в водную миграцию. Цинк активно участвует в массообмене между сушей и атмосферой. С атмосферными осадками на поверхность суши водорорастворимых форм цинка выпадает значительно больше, чем захватывается ветром в атмосферу в виде минеральной пыли.

Из приведенных примеров круговоротов и миграции различных элементов видно, что глобальная система циклической миграции химических элементов обладает высокой способностью к саморегуляции, при этом огромную роль в круговороте химических элементов играет биосфера.

В то же время хозяйственная деятельность человека вызывает деформацию природных циклов массообмена и, следовательно, изменение состава окружающей среды. Эти изменения происходят значительно быстрее, чем совершаются процессы генетической адаптации организмов и видообразования. Зачастую хозяйственные действия настолько непродуманны или несовершенны, что создают острую экологическую опасность. Изучение процессов массообмена, связывающих в единое целое все оболочки Земли, должно помочь в создании системы контроля за эколого-геохимическим состоянием окружающей среды и разработке научно обоснованного прогноза экологических последствий хозяйственных действий и новых технологий.

Цинк широко применяется для цинкования - нанесения гальванических покрытий, предохраняющих от ржавления поверхности стальных и железных листов, труб, проводов, металлических сеток, фасонных соединительных деталей трубопроводов, а также для производства латуни и других сплавов. Соединения цинка служат пигментами, люминофорами и т.д.

В США ведущее место по добыче цинка занимает штат Теннесси (55%), за ним следуют штаты Нью-Йорк и Миссури. Другие значительные производители цинка - Колорадо, Монтана, Айдахо и Аляска. Весьма перспективно освоение крупного месторождения Ред-Дог на Аляске. В Канаде важнейшие цинковые рудники находятся в Британской Колумбии, Онтарио, Квебеке, Манитобе и Северо-Западных Территориях.

Мировое производство цинка составляет 4,9*10⁶ т/год, запасы цинка составляют 1,2*10⁸ т.

Содержание цинка в золе бурых углей мира составляет 100 г/т, в золе каменных углей мира - 150 г/т. Добыча цинка составляет 44 года. В элементных состав условного человека входит 2,3 г цинка.

Технофильность цинка равна:

4,9*10⁶ / 8,3*10^-5*4,7*10⁷ = 1256,09*10-⁹

Биофильность цинка равна:

8,3*10^-3 / 5*10^-4% =0,166

3. Биогеохимическая функция цинка

Цинк играет важнейшую роль в жизнедеятельности растений и человека.

Недостаток цинка для растений чаще всего наблюдается на песчаных и карбонатных почвах. [7].Мало доступного цинка на торфяниках, а также на некоторых малоплодородных почвах. Недостаток цинка сильнее всего сказывается на образовании семян, чем на развитии вегетативных органов. Симптомы цинковой недостаточности широко встречаются у различных плодовых культур (яблоня, черешня, японская слива, орех, пекан, абрикос, авокадо, лимон, виноград). Особенно страдают от недостатка цинка цитрусовые культуры.

Физиологическая роль цинка в растениях очень разнообразна. Он оказывает большое влияние на окислительно-восстановительные процессы, скорость которых при его недостатке заметно снижается. Дефицит цинка ведет к нарушению процессов превращения углеводородов. Установлено, что при недостатке цинка в листьях и корнях томата, цитрусовых и других культур, накапливаются фенольные соединения, фитостеролы или лецитины, уменьшается содержание крахмала. [8].

Цинк входит в состав различных ферментов: карбоангидразы, триозофосфатдегидрогеназы, пероксидазы, оксидазы, полифенолоксидазы и др.

Обнаружено, что большие дозы фосфора и азота усиливают признаки недостаточности цинка у растений и что цинковые удобрения особенно необходимы при внесении высоких доз фосфора [9].

Значение цинка для роста растений тесно связано с его участием в азотном обмене. Дефицит цинка приводит к значительному накоплению растворимых азотных соединений - аминов и аминокислот, что нарушает синтез белка. Многие исследования подтвердили, что содержание белка в растениях при недостатке цинка уменьшается.

Под влиянием цинка повышается синтез сахарозы, крахмала, общее содержание углеводов и белковых веществ. Применение цинковых удобрений увеличивает содержание аскорбиновой кислоты, сухого вещества и хлорофилла. Цинковые удобрения повышают засухо-, жаро- и холодоустойчивость растений [10].

Агрохимическими исследованиями установлена необходимость цинка для большого количества видов высших растений. Его физиологическая роль в растениях многосторонняя. Цинк играет важную роль в окислительно-восстановительных процессах, протекающих в растительном организме, он является составляющей частью ферментов, непосредственно участвует в синтезе хлорофилла, влияет на углеводный обмен в растениях и способствует синтезу витаминов [11].

При цинковой недостаточности у растений появляются хлоротичные пятна на листьях, которые становятся бледно-зелеными, а у некоторых растений почти белыми. У яблони, груши и ореха при недостатке цинка развивается так называемая розеточная болезнь, выражающаяся в образовании на концах ветвей мелких листьев, которые располагаются в форме розетки [12]. При цинковом голодании плодовых почек закладывается мало. Урожайность семечковых резко падает. Черешня еще более чувствительна к недостатку цинка, чем яблоня и груша. Признаки цинкового голодания у черешни проявляются в появлении мелких, узких и деформированных листьев. Хлороз вначале появляется на краях листьев и постепенно распространяется к средней жилке листа. При сильном развитии заболевания весь лист становится желтым или белым [7].

Из полевых культур цинковая недостаточность чаще всего проявляется на кукурузе в виде образования белого ростка или побеления верхушки. Показателем цинкового голодания у бобовых (фасоль, соя) является наличие хлороза на листьях, иногда асимметрическое развитие листовой пластинки. Недостаток цинка для растений чаще всего наблюдается на песчаных и супесчаных почвах с низким его содержанием, а также на карбонатных и старопахотных почвах.

Применение цинковых удобрений повышает урожай всех полевых, овощных и плодовых культур. При этом отмечается снижение пораженности растений грибковыми заболеваниями, повышается сахаристость плодовых и ягодных культур [13].

4. Геохимическая характеристика цинка

Распространение цинка в природе и его промышленное извлечение. Содержание цинка в земной коре составляет 7,6·10-³%, он распространен примерно так же, как рубидий (7,8·10-³%), и чуть больше, чем медь (6,8·10-³%).

Основными минералами цинка являются сульфид цинка ZnS (известный как цинковая обманка или сфалерит) и карбонат цинка ZnCO₃ (каламин в Европе, смитсонит в США). Свое название этот минерал получил в честь Джеймса Смитсона, основателя Смитсонианского Института в Вашингтоне. Менее важными минералами являются гемиморфит Zn₄Si₂O₇(OH)₂·H₂O и франклинит (Zn,Fe)O·Fe₂O₃.

Первое место в мире по добыче (16,5% мировой добычи, 1113 тыс. т, 1995) и запасам цинка занимает Канада. Кроме того, богатые месторождения цинка сосредоточены в Китае (13,5%), Австралии (13%), Перу (10%), США (10%), Ирландии (около 3%).

Металлургические предприятия ежегодно выбрасывают на поверхность земли более 120 тыс. тонн цинка.

В Силезии вокруг цинковых заводов громоздятся отвалы с содержанием цинка от 2 до 12% и свинца от 0,5 до 3%, а в США эксплуатируют руды с содержанием цинка 1,8%.

Техногенное поступление металлов в почву, закрепление их в гумусовых горизонтах в почвенном профиле в целом не может быть равномерным. Неравномерность его и контрастность прежде всего связана с плотностью населения. Если считать эту связь пропорциональной, то 37,3% всех металлов будет рассеяно всего лишь в 2% обитаемой суши.

Распределение тяжелых металлов по поверхности почвы определяется многими факторами. Оно зависит от особенностей источников загрязнения, метеорологических особенностей региона, геохимических факторов и ландшафтной обстановке в целом.

Источник загрязнения в целом определяет качество и количество выбрасываемого продукта. При этом степень его рассеивания зависит от высоты выброса. Зона максимального загрязнения распространяется на расстояние, равное 10-40-кратной высоте трубы при высоком и горячем выбросе, 5-20-кратной высоте трубы при низком промышленном выбросе. Длительность нахождения частиц выброса в атмосфере зависит от их массы и физико-химических свойств. Чем тяжелее частицы, тем быстрее они оседают.

Неравномерность техногенного распространения металлов усугубляется неоднородностью геохимической обстановке а природных ландшафтах. В связи с этим, для прогнозирования возможного загрязнения продуктами техногенеза и предотвращения нежелательных последствий деятельности человека необходимо понимание законов геохимии, законов миграции химических элементов в различных природных ландшафтах или геохимической обстановке.

Химические элементы и их соединения попадая в почву претерпевают ряд превращений, рассеиваются или накапливаются в зависимости от характера геохимических барьеров, свойственных данной территории. Понятие о геохимических барьерах было сформулировано А.И. Перельманом (1961) как участках зоны гипергенеза, на которых изменение условий миграции приводит к накоплению химических элементов. В основу классификации барьеров положены виды миграции элементов. На этом основании А.И. Перельман выделяет четыре типа и несколько классов геохимических барьеров:

· барьеры - для всех элементов, которые биогеохимические перераспределяются и сортируются живыми организмами (кислород, углерод, водород, кальций, калий, азот, кремний, марганец и т.д.);

· физико-химические барьеры:

· окислительные - железные или железно-марганцевые (железо, марганец), марганцевые (марганец), серный (сера);

· восстановительные - сульфидный (железо, цинк, никель, медь, кобальт, свинец, мышьяк и др.), глеевый (ванадий, медь, серебро, селен);

· сульфатный (барий, кальций, стронций);

· щелочной (железо, кальций, магний, медь, стронций, никель и др.);

· кислый (оксид кремния);

· испарительный (кальций, натрий, магний, сера, фтор и т.д.);

· адсорбционный (кальций, калий, магний, фосфор, сера, свинец и др.);

· термодинамический (кальций, сера).

· механические барьеры (железо, титан, хром, никель и др.);

· техногенные барьеры.

Геохимические барьеры существуют не изолированно, а в сочетании друг с другом, образуя сложные комплексы. Они регулируют элементный состав потоков веществ, от них в большей мере зависит функционирование экосистем.

Продукты техногенеза в зависимости от их природы и той ландшафтной обстановки, в которую они попадают, могут либо перерабатываться природными процессами, и не вызывать существенных изменений в природе, либо сохраняться и накапливаться, губительно влияя на все живое.

И тот и другой процесс определяются рядом факторов, анализ которых позволяет судить об уровне биохимической устойчивости ландшафта и прогнозировать характер их изменений в природе под влиянием техногенеза. В автономных ландшафтах развиваются процессы самоочищения от техногенного загрязнения, так как продукты техногенеза рассеиваются поверхностными и внутрипочвенными водами. В аккумулятивных ландшафтах накапливаются и консервируются продукты техногенеза.

Содержание цинка в почве колеблется от 10 до 800 мг/кг, хотя чаще всего оно составляет 30-50 мг/кг. Накопление избыточного количества цинка отрицательно влияет на большинство почвенных процессов: вызывает изменение физических и физико-химических свойств почвы, снижает биологическую деятельность. Цинк подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, вследствие чего нарушаются процессы образования органического вещества в почвах. Избыток цинка в почвенном покрове затрудняет ферментацию разложения целлюлозы, дыхания, действия уреазы.

Тяжелые металлы, поступая из почвы в растения, передаваясь по цепям питания, оказывают токсическое действие на растения, животных и человека.

5. Ресурсный цикл цинка

По классификации Вернадского цинк является циклическим элементом.

Основной минерал цинковых руд - сфалерит (сульфид цинка) часто ассоциирует с галенитом или халькопиритом. Первое место в мире по добыче (16,5% мировой добычи, 1113 тыс. т, 1995) и запасам цинка занимает Канада. Кроме того, значительные запасы цинка сосредоточены в Китае (13,5%), Австралии (13%), Перу (10%), США (10%), Ирландии (ок. 3%). Добыча цинка ведется в 50 странах. В России цинк извлекается из медноколчеданных месторождений Урала, а также из полиметаллических месторождений в горах Южной Сибири и Приморья. Крупные запасы цинка сосредоточены в Рудном Алтае (Восточный Казахстан - Лениногорск и др.), на долю которого приходится более 50% добычи цинка в странах СНГ. Цинк добывают также в Азербайджане, Узбекистане (месторождение Алмалык) и Таджикистане.

6. Производства по добыче цинка, получение полезной продукции

Характеристика простого вещества и промышленное получение металлического цинка. Металлический цинк обладает характерным голубоватым блеском на свежей поверхности, который он быстро теряет во влажном воздухе. Температура плавления 419,58° С, температура кипения 906,2° С, плотность 7,133 г/см³. При комнатной температуре цинк хрупок, при 100-150° С становится пластичным и легко прокатывается в тонкие листы и проволоку, а при 200-250° С вновь становится очень хрупким и его можно быть истолочь в порошок.

При нагревании цинк взаимодействуют с неметаллами (кроме водорода, углерода и азота). Активно реагирует с кислотами:

Zn + H₂SO₄(разб.) = ZnSO₄ + H₂

Цинк - единственный элемент группы, который растворяется в водных растворах щелочей с образованием ионов [Zn(OH)₄]^2- (гидроксоцинкатов):

Zn + 2OH- + 2H₂O = [Zn(OH)₄]^2- + H₂

При растворении металлического цинка в растворе аммиака образуется аммиачный комплекс:

Zn + 4NH₃·H₂O = [Zn(NH₃)₄](OH)₂ + 2H₂O + H₂

Исходное сырье для получения металлического цинка - сульфидные цинковые и полиметаллические руды. Выделение цинка начинается с концентрирования руды методами седиментации или флотации, затем ее обжигают до образования оксидов:

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + SO₂

Образующийся диоксид серы используют в производстве серной кислоты, а оксид цинка перерабатывают электролитическим методом или выплавляют с коксом.

В первом случае цинк выщелачивают из сырого оксида разбавленным раствором серной кислоты. При этом цинковой пылью осаждают кадмий:

Zn + Cd²⁺ = Zn²⁺ + Cd

Затем раствор сульфата цинка подвергают электролизу. Металл 99,95%-ной чистоты осаждается на алюминиевых катодах.

Восстановление оксида цинка коксом описывается уравнением:

2ZnO + C = 2Zn + CO₂

Для выплавки цинка ранее использовались ряды сильно нагретых горизонтальных реторт периодического действия, затем они были заменены непрерывно действующими вертикальными ретортами (в некоторых случаях, с электрическим подогревом). Эти процессы не были так термически эффективны, как доменный процесс, в котором сжигание топлива для нагрева проводится в той же камере, что и восстановление оксида, однако неизбежная проблема в случае цинка в том, что восстановление оксида цинка углеродом не протекает ниже температуры кипения цинка (этой проблемы нет для железа, меди или свинца), поэтому для конденсации паров нужно последующее охлаждение. Кроме того, в присутствии продуктов сгорания металл повторно окисляется.

Эту проблему можно решить, опрыскивая выходящие из печи пары цинка расплавленным свинцом. Это приводит к быстрому охлаждению и растворению цинка, так что повторное окисление цинка сводится к минимуму. Затем цинк почти 99%-й чистоты выделяют в виде жидкости и дополнительно очищают вакуумной дистилляцией до чистоты 99,99%. Весь присутствующий кадмий в ходе дистилляции восстанавливается. Преимущество доменной печи в том, что состав шихты не имеет принципиального значения, поэтому можно использовать смешанные руды цинка и свинца (ZnS и PbS часто находят вместе) для непрерывного производства обоих металлов. Свинец при этом выпускают со дна печи.

По данным экспертов, в 2004 производство цинка составило 9,9 млн тонн, а его потребление - около 10,2 млн тонн. Таким образом, дефицит цинка на мировом рынке равен 250-300 тыс. тонн.

В 2004 в Китае выпуск рафинированного цинка достиг 2,46 млн т. Примерно по 1 млн. т производят Канада и Австралия. Цена на цинк в конце 2004 составила более 1100 долл. за тонну.

Спрос на металл остается высоким, благодаря бурному росту производства антикоррозионных покрытий. Для получения таких покрытий используют различные способы: погружение в расплавленный цинк (цинкование горячим способом), электролитическое осаждение, опрыскивание жидким металлом, нагревание с порошком цинка и использование красок, содержащих цинковый порошок. Оцинкованная жесть широко применяется как кровельный материал. Металлический цинк в виде брусков используют для защиты от коррозии стальных изделий, соприкасающихся с морской водой. Большое практическое значение имеют сплавы цинка - латуни (медь плюс 20-50% цинка). Для литья под давлением, помимо латуней, используется быстро растущее число специальных сплавов цинка. Еще одна область применения - производство сухих батарей, хотя в последние годы оно существенно сократилось.

Примерно половина всего производимого цинка используется для производства оцинкованной стали, одна треть - в горячем цинковании готовых изделий, остальное - для полосы и проволоки. За последние 20 лет мировой рынок этой продукции вырос более чем в 2 раза, в среднем прибавляя по 3,7 % в год, причем в странах Запада производство металла ежегодно увеличивается на 4,8 %. В настоящее время для цинкования 1 т стального листа нужно в среднем 35 кг цинка.

7. Санитарно-гигиеническая характеристика цинка

Многие соединения цинка, прежде всего его сульфат и хлорид, токсичны.

Кларк элемента в земной коре составляет около 8,3*10^-3 %. В подземные воды попадает в результате процессов разрушения и растворения горных пород и минералов, а также со сточными водами рудообогатительных фабрик, гальванических цехов, производств пергаментной бумаги, минеральных красок, вискозы, магнезиального цемента, предприятий химико-фармацевтической, химической, машиностроительной, деревообрабатывающей промышленности и др. В подземных водах концентрация Zn2+ обычно не превышает десятков мкг/л, а в загрязнённых водах - нескольких мг/л, в рудных и особенно в шахтных водах с низкими значениями рН может достигать сотен мг/л. Многие соединения цинка, прежде всего его сульфат и хлорид, токсичны. В то же время цинк относится к числу биологически активных микроэлементов, влияющих на рост и нормальное развитие растений и организмов. ПДК Zn²⁺ для питьевой воды составляет 5,0 мг/л.

8. Роль цинка в эволюции жизни и формировании периодов взаимодействия природы и общества

Цинк является важнейшим эссенциальным элементом. Цинк включился в метаболизм с возникновением кровеносной системы. Участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Составляющая коферментов организма.

9. Влияние элемента и его соединений на здоровье человека

Биологическая роль цинка двояка и не до конца выяснена. Установлено, что цинк - обязательная составная часть фермента крови, карбоангидразы. Этот фермент содержится в эритроцитах. Карбоангидраза ускоряет выделение углекислого газа в легких. Кроме того, она помогает превратить часть СО ₂ в ион НСО ₃ , играющий важную роль в обмене веществ.

Цинк входит в состав гормона инсулина, участвующего в углеводном обмене, содержится в ряде других важных ферментов, участвует в процессах кроветворения, в фотохимических реакциях процесса зрения, в деятельности желез внутренней секреции.

Суточная потребность в цинке в зависимости от возраста - 5-20 мг. При этом усваивается около 10% потребляемого количества. Эта потребность вполне удовлетворяется обычным рационом. Накапливается в печени, предстательной железе, сетчатке глаза.

Содержится в печени, мясе, желтках куриных яиц, сыре, бобовых, овощах.

При недостаточности цинка возникают различные поражения кожи и слизистых оболочек - дерматиты, облысение, паракератозы. У детей задерживается рост, возможны развитие карликовости, замедление полового созревания. При избытке цинка наблюдается развитие анемий.

Цинк играет важную роль в реализации гормональных функций в организме. Он непосредственно влияет на продукцию и функционирование инсулина, а тем самым на весь спектр инсулинзависимых процессов. У мужчин цинк участвует в синтезе тестостерона и функционировании половых желез, в силу чего прослеживается обратная связь между уровнем цинка в организме и потенцией. Являясь ингибитором 5-альфа-редуктазы, цинк регулирует уровень метаболита тестостерона - дигидротестостерона, избыток которого обусловливает гиперплазию простаты. Цинк является необходимым фактором и для женского организма, так как входит в структуру рецепторов для эстрогенов, регулируя таким образом все эстрогензависимые процессы.

Цинк жизненно важен для функционирования тимуса и нормального состояния иммунной системы организма. Являясь, к тому же, компонентом ретинолпереносящего белка, цинк вместе с витамином А (и витамином С) препятствует возникновению иммунодефицитов, стимулируя синтез антител и оказывая противовирусное действие.

Цинк обладает рано - и язвозаживляющим действием, участвует в процессах вкусового восприятия и обоняния, необходим для функционирования центральной нервной системы, в т.ч. для процессов запоминания.

10. Модель устойчивого развития системы «природа-общество»

Модель устойчивого развития должна воплотить и развернуть принцип справедливости в самых ее различных аспектах - экономическом, социальном, политическом, экологическом и т.д. Можно сказать, что устойчивое развитие - это справедливое, а значит и безопасное во всех смыслах развитие, обеспечивающее выживание и длительное развитие общества. При реализации такого типа развития снижается и даже элиминируется база опасного развития, чреватого негативными последствиями принципам социального бытия в модели неустойчивого развития. Устойчивое развитие в глобальном масштабе соединит в единую социоприродную систему обеспечение безопасности и дальнейшее динамическое цивилизационное развитие.

На примере цинка устойчивое развитие системы «природа-человек» можно изобразить следующим образом (рис.).

Рисунок - Модель устойчивого развития

Список литературы

1. Комар И.В. Рациональное использование природных ресурсов и ресурсные циклы. М.: Наука, 1975. - 212 с.

2. Корте Ф., Бахадир М. И др. Экологическая химия: Пер. с нем. Под ред. Ф.Корте. - М.: Мир, 1997. - 396 с.

3. Лосев К.С. Экологические проблемы и перспективы устойчивого развития России в XXI веке. - М.: Космосинформ, 2001. - 400с

4. Малов Ю.С. Здоровье и болезни. - СПб., - 1996. - 84 с.

5. Маршалова А.Е., Солодовик Д.М. Экология и человек. М., 1992

6. Мониторинг здоровья населения: теоретико-методологические аспекты / Я.А. Лещенко. - Новосибирск: Наука. Сиб. Предприятие РАН, 1998. - 207 с.

7. Овчаров Е.А. Здоровье населения Российской Федерации: Анализ и оценка: Учебное пособие для студентов высших и средних специальных педагогических учебных заведений. - Нижневартовск: Изд-во Нижневарт. Пед. Ин-та, 1996. - 237 с

8. Перельман А.И. Геохимия: Учеб. для спец. Вузов. - 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Высш. Шк., 1989. - 528 с.

9. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воде. Изд. 2-е, пер. и доп. - Л.: Химия, 1975. - 456 с.

10. Принципы и методы оценки токсичности химических веществ. Часть I. Гигиенические критерии состояния окружающей среды / Всемирная организация здравоохранения, Женева, 1981. - 312 с.

11. Природа, техника, геотехнические системы. - М.: Наука, 1978. - 151 с.

12. Протасов В.Ф. Молчанов А.В. Экология, здоровье и природопользование в России. М., 1995

13. Прохоров Экология человека: Социально-демографические аспекты. М.: Наука, 1991