для чего нужен кадмий

Кадмий металл. Свойства кадмия. Применение кадмия

Свойства кадмия

Название одного элемента переводится как «цинковая руда», в которой несколько составляющих. Почему?

Потому что впервые кадмий выделили именно из цинкосодержащей руды. Произошло это в 1817-ом году в Германии.

Обнаруженный элемент назвали кадмий в честь руды, из которой он был получен.

Правда, некоторые источники трактуют имя металла иначе, вспоминая крепость Кадмея, построенную в древнем Египте.

Якобы в честь ее крепости и нерушимости и был наречен металл кадмий. Похожее слово есть и в мифологии Греции.

Бог Кадмос основал Фивы, победил дракона и, кстати, по приданию первым нашел и показал людям цинковую руду.

Но, про кадмий его теска тогда умолчал. Поэтому, наверное, и открыли металл только в 19-ом столетии.

Добыча кадмия

То, что металл содержится не только в цинкосодержащийх породах, но и в некоторых минералах.

Примеси кадмия обнаружили в гриноките, отавите, хоулиите, кадмоселите, монтемпоните и ксантохроите.

Все 6 камней крайне редкие и не могут стать подмогой в промышленной добыче металла №48.

Есть кадмий и в морях в пропорции 0,00011 миллиграммов на литр воды. Обнаружен элемент также в воздухе.

В городах содержание металла в атмосфере от 2-х до 15-ти нанограммов на кубический метр.

В сельском воздухе кадмия и того меньше. Интересно, что гораздо больше, чем в воздухе или воде, кадмия в почках и печени.

Эти органы накапливают металл. Но, естественно, добывать элемент из живых тканей никто не собирается.

Месторождения кадмия

Поэтому, основным источником редкого вещества, по-прежнему, остаются цинковые руды.

Общие запасы кадмия на месторождениях планеты оцениваются всего в 600 тысяч тонн. 100 из них в КНР; 60 в Австралии; 50 в Перу; по 40 в России и Мексике.

Остальные страны довольствуются малым, на них примерно равномерно распределены оставшиеся 300 тысяч тонн.

В год на нужды человечества уходит 20 тысяч тонн редкого металла. Если не открыть новые месторождения, хватит всего на 3 десятилетия. На что же тратят дефицитный элемент?

Применение кадмия

-В чистом виде кадмий пластичный, тягучий, мягкий. Цвет у металла белый с серебристым отливом. Эстетика металла пригождается при изготовлении аккумуляторов. Их декоративные покрытия сделаны на основе элемента №48.

-В атомных реакторах важнее стойкость кадмия к коррозии.

-Высоковольтные провода сделаны из сплава кадмия с медью. Всего один процент 48-го элемента делает медь в два раза прочнее. На проводимость же тока, добавка практически не влияет.

-Износостойкость сделала «героя статьи » материалом для машинных подшипников.

-Живописцы ценят сульфид металла. Его используют в качестве краски, поскольку соединение ярко-желтое.

Сам по себе серебристый металл тоже красив. Загвоздка в том, что на воздухе он моментально тускнеет, покрывается мутной пленкой. Сохраняют сияние кадмиевые поверхности только в среде без кислорода.

Добавляя кадмий к золоту, главное, точно соблюдать пропорции. Излишек элемента под номером 48 придает сплаву зеленоватый оттенок.

К тому же, кадмий снижает температуру плавление состава, ведь и сам металл закипает уже при 700 градусов Цельсия.

-В перспективе – рынок солнечных батарей. Пока, они используются в порядке исключения. Однако, в скором времени, прогнозируют эксперты, будут устанавливаться повсеместно. Пленки для установок, аккумулирующие лучи, делают именно из кадмия.

Металл безвреден. Чего не скажешь о растворимых соединениях 48-го элемента. Они крайне токсичны.

Влияние соединений на организм сравнимо с действием паров ртути или мышьяка. Угнетается дыхание, поражается нервная система и органы человеческого тела.

Одно из месторождений было в Японии. Население страны восходящего солнца сутками трудилось в шахтах, ело рыбу из близлежащей реки и рис с окрестных полей.

Люди стали умирать. Причем здесь кадмий? Притом, что именно он, просачиваясь в воду, попадая в растения, а потом и желудки рабочих, стал причиной смертей.

Однако, некоторые соединения кадмия способны и спасать. Металл используют при лечении опухолей. Кадмий если не побеждает то, по крайней мере, приостанавливает болезнь.

В лечении рака кадмий используют с середины прошлого века. Более того, если в сутки организм человека с пищей или при дыхании не будет получать от 1-го до 5-ти микрограмма 48-го элемента, нарушится выработка гиппуровой кислоты в печени.

Без нее орган не сможет обезвреживать яды. Произойдет сбой и в обмене углеводов, цинка, кальция и меди.

Ряд ферментов в организме человека так же не вырабатываются без присутствия кадмия.

Источник

Характеристики и свойства металла кадмий

Кадмий — металл из периодической таблицы Менделеева, который находится под номером 48. Обладает уникальными свойствами, считается относительно редким. Чаще применяется при покрытии других металлов для защиты от образования ржавчины, но может использоваться и в других сферах деятельности.

Химический элемент кадмий

История открытия

Новый химический элемент, который был назван кадмием, открыл Фридрих Штромейер в 1817 году. Известный профессор химии, фармацевт занимался инспектирование аптек. В процессе прокаливании разных образцов карбоната натрия он отметил, что из некоторых представителей получается коричневый или оранжево-желтый оксид. При детальном изучении профессор обнаружил что он не содержит свинца и железа. Появление такого окраса он объяснил присутствием неизвестного элемента.

Практически в то же время, независимо от работ Штромейера, изучая соединения на основе цинка кадмий выделили К. Херман и И. Ролофф.

Запасы и месторождения

Кадмий — редкий рассеянный элемент. Из него образуется ограниченное число соединений. Основным минералом, в котором содержится значительное количество этого элемента, является гринокит. Из него не образуются естественные скопления. Чаще данный минерал встречается в виде землянистой корки, которой покрываются цинковые минералы.

В больших количествах его добывают в зонах сульфидных месторождений. Самые большие из них расположены в Средней Азии, Казахстане, на Южном Урале.

Редкие минералы, которые могут содержать кадмий, — кадмоселит, отавит, монтепонит.

Добыча и промышленное получение

Процесс промышленного получения кадмия из расходного сырья включает нескольких этапов:

После проведения всех этапов на выходе получается металл с чистотой 99,95%.

Свойства и характеристики

Чтобы понять, насколько важен металл для промышленности, где он может применяться, нужно изучить его свойства — физические, химические, механические.

Физические

Физические свойства кадмия:

Кадмий — мягкий, тяжелый, тягучий металл белого цвета с характерным металлическим блеском.

Металл кадмий (Фото: Instagram / zeodetoxru)

Химические

Кадмий не вступает в реакцию с бором, кремнием, углеродом. Взаимодействует с кислотами.

Механические

Где используется кадмий?

Поскольку металл может накапливаться в раковых клетках, его применяют при лечении онкологических заболеваний.

Влияние на организм

Кадмий — опасный для человека металл. Его изотопы выделяют вредные вещества, которые могут привести к ухудшению общего состояния, отравлению. Острая интоксикация организма наступает после попадания в организм 30 мг вещества. Симптомы отравления кадмием:

Если в организме присутствует постоянный повышенный уровень этого вещества, состояние будет ухудшаться постепенно.

Самый опасный вариант развития событий — хроническая интоксикация организма. Поскольку общее состояние ухудшается медленно, специфическая клиническая картина отсутствует. Человек не обращает внимание на ухудшение состояния, списывая недомогание на нехватку витаминов, переутомление, плохую экологию.

При лечении интоксикации кадмием пациент должен находиться в стационаре. Запрещено заниматься самолечением, поскольку это может привести к летальному исходу. Уровень содержания этого металла в организме определяется с помощью анализа мочи.

Чтобы вывести отравляющее вещество из желудочно-кишечного тракта, проводится промывание желудка с применением зонда. После очистки пациент должен выпить сорбент. При проведении процедур для улучшения общего состояния врачи контролируют работу почек и печени.

Ученые считают кадмий одновременно полезным и вредным металлом. Он применяется в разных направлениях промышленности, но очень опасен организма. Длительный контакт с кадмием может привести к острому или хроническому отравлению.

Источник

КАДМИЙ — токсичный, тяжелый и редкий

При почти детективных условиях был открыт металл кадмий.

Бдительный аптекарь

История началась в Магдебурге с окружного врача-инспектора. Он приказал изъять из продажи препараты с оксидом цинка — якобы, там содержится мышьяк. Аптекари возмутились, обратились к Ф. Штромейеру — главному инспектору по аптекам.

Препараты исследовали, мышьяка не нашли. Зато обнаружили оксид нового элемента. Штромейер назвал открытый элемент «кадмий», в честь героя древнегреческого мифа.

Свойства Кадмия

Кадмий относится к переходным металлам. Он мягкий, тягучий и ковкий.

Кадмий тяжелый металл, наряду с осмием, свинцом, молибденом.

Имеет три модификации; отличить их можно некоторым физическим параметрам.

Где находят

Месторождения кадмиевых руд в природе отсутствуют, это рассеянный металл. Кадмиевые минералы существуют, но промышленного значения не имеют.

Известно 6 кадмиевых минералов:

Металл почти всегда присутствует в медных, цинковых, свинцовых рудах.

Как производят

Производство связано с получением цинка. Кадмий является побочным продуктом извлечения цинка из его минералов. Этот способ получения амальгамный.

Гидроэлектрометаллургический способ состоит из стадий:

Далее при надобности металл рафинируют, доводят до высокой чистоты.

Сплавы

Кадмиевые сплавы делятся на:

В составе припоев 1 часть кадмия заменяет 5 частей олова.

Медно-кадмиевые сплавы почти полностью сохраняют электропроводность меди, и обладают повышенной прочностью к истиранию и высоким сопротивлением на разрыв.

Плюсы и минусы

Применение

Большая часть кадмиевых покрытий применяется для защиты:

Много произведенного кадмия используют в сплавах легкоплавких, антифрикционных, в сплавах с драгоценными металлами.

Пятая часть добытого металла применяется в батареях и аккумуляторах.

Атомная промышленность применяет кадмий для производства регулирующих стержней. Входит в состав экранов защиты от нейтронного излучения.

На подъеме производство солнечных батарей с CdTe.

Часть металла идет на производство красящих пигментов.

В ювелирном производстве используют сплавы с золотом. В зависимости от процентного содержания составляющих они имеют цвета от ярко-желтого до зеленоватого.

Радиоактивные изотопы используют в лечении онкологических болезней.

Стоимость

Цена кадмия марки КдО 1100 рублей за килограмм; марка 5N — 6500 рублей/кг; металл чистотой 99,9999% марки 6N стоит 15000 рубля/кг.

Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!

Источник

Кадмий: факты и фактики

Откуда берут кадмий? Кадмий всегда содержится в рудах, из которых добывают цинк, свинец, иногда и в медной руде. Поэтому он неизбежно оказывается в отходах производства этих металлов. Но их не выбрасывают, а стараются переработать, поскольку там есть множество других нужных человеку элементов. Доля кадмия весьма велика — 0,3–0,5% от веса цинкового концентрата, и выбирают его оттуда на 95%. Собственно, и открыт был кадмий при изучении соединений цинка. Рассказывают такую историю (см. «Химию и жизнь», 1970, №9). В 1817 году в Магдебурге возник конфликт: окружной врач Ролов велел изъять из продажи все препараты с оксидом цинка, заподозрив, что там есть мышьяк. Аптекари же клялись, что никакого мышьяка в препаратах нет, разве что оксид железа, придающий мази желтоватый цвет. Арбитром выступил профессор Фридрих Штромейер из Гёттингенского университета, который был в то время главным фармацевтическим инспектором. Ему действительно удалось выделить из препарата желтоватое соединение. Однако оно не имело никакого отношения ни к мышьяку, ни к железу, а оказалось оксидом нового элемента. Осенью 1817 года в разговорах с коллегами Штромейер назвал его кадмием, чему дают следующее объяснение. Легендарный финикийский царевич Кадм, придя в Беотию в поисках своей сестры Европы, украденной Зевсом, построил там крепость Кадмею. Вокруг нее потом выросли древнегреческие Фивы. В античное время около этого города нашли специфическую смесь соединений цинка, названную «кадмейской землей» или кадмеей. Этим названием Штромейер и воспользовался.

Ролов также вскоре убедился, что подозрительная примесь — не мышьяк, а соединение нового металла. Но его статья, посланная в “Journal fur der praktischen Heilkunde”, задержалась и вышла в апреле 1818 года, когда в среде химиков уже знали об открытии Штромейера.

Как сказался желтый цвет соединения на интересе к кадмию? Самым непосредственным образом: вскоре после открытия Штромейера некто Карстен, старший советник по металлургии завода в Бреслау (ныне Вроцлав), нашел в силезской цинковой руде элемент, который давал желтый осадок при пропускании через его раствор сероводорода, и назвал его «мелиниумом» от латинского слова «mellis», что значит мёд. Это был все тот же кадмий, а его сульфид стал прекрасным желтым пигментом сначала для художников, а потом, когда цена снизилась, и в малярном деле. Получая сульфид кадмия разными способами, можно сделать красивую краску разных оттенков — от лимонного до оранжевого. Поскольку она устойчива к кислотам, щелочам и сильному нагреву, кадмиевая желть подошла и для росписи керамики. Кроме того, если смешать сульфид кадмия с ультрамарином, образуется превосходная зеленая краска — кадмиевая зелень. При горении кадмий дает синий цвет, поэтому его использовали также в пиротехнике. Таким образом, в 90-х годах XX века 17% кадмия шло на приготовление красок различного назначения.

Какова основная область применения кадмия? Никель-кадмиевые аккумуляторы: один из электродов в них сделан из кадмия или его гидроксида, их производство потребляет более 60% всего добытого кадмия. Эти аккумуляторы очень живучие: они могут обеспечить в несколько раз больше циклов разрядки-зарядки, чем ближайшие конкуренты — свинцовые аккумуляторы, правда, и стоят они в десять раз больше. И по соотношению запасенной электроэнергии к весу Ni-Cd в два раза превосходят Pb, что делает их перспективными для электромобилей. Срок жизни современных никель-кадмиевых аккумуляторов — более 30 лет. Они быстро заряжаются и быстро отдают энергию, а благодаря малому внутреннему сопротивлению могут обеспечить большую плотность тока без разогрева. Поэтому их применяют везде, где требуются большие плотности тока, — в электрокарах, троллейбусах, трамваях, электропоездах, шуруповертах, а также в радиоаппаратуре и бытовой технике. До недавнего времени они же снабжали энергией компьютеры и сотовые телефоны, но теперь их место занимают литий-ионные. Никель-кадмиевые аккумуляторы предполагают использовать и в системах альтернативной энергетики, где бывает нужно время от времени куда-то закачивать лишнюю энергию, которая потом компенсирует недостаток производства из-за плохой погоды: такие аккумуляторы могут обеспечить надежное хранение до 6,5 МВт•ч электроэнергии, что ставит их в один ряд со свинцовыми и натрий-сульфидными.

Среди недостатков никель-кадмиевых аккумуляторов — большая саморазрядка и эффект памяти: если заряжать аккумулятор, который разряжен не полностью, он каждый раз будет накапливать все меньше и меньше энергии. Есть мнение, что с этим эффектом можно бороться, если время от времени очень сильно разряжать такой аккумулятор. Но главный их недостаток — ядовитость кадмия; из-за нее использование никель-кадмиевых аккумуляторов, впрочем, как и кадмиевых пигментов для красок, стабилизаторов для полимеров (10% от производства металла), покрытий для металлов (5%), постоянно снижается.

Какая область применения кадмия находится на подъеме? Производство солнечных батарей. Теллурид кадмия неплохо преобразует солнечный свет в электричество, хотя и уступает кремниевым батареям: эффективность у имеющихся на рынке модулей составляет 8–9% и 13–16% соответственно. Однако теллурид кадмия наносят в виде тонких пленок на токопроводящее стекло, что требует гораздо меньших затрат энергии и материалов, нежели производство кремниевых батарей. В результате (“Renewable and Sustainable Energy Reviews”, 2012, 16, 5245–5259; doi:10.1016/j.rser.2012.04.034) затраты энергии на производство батареи окупаются выработкой энергии уже через год, что в два-три раза (равно как и выбросы углекислого газа на производимый ею киловатт электричества в Европе) меньше, нежели у кремниевых батарей. Иначе говоря, батареи с использованием соединений кадмия весьма дружественны к окружающей среде. При росте эффективности это различие еще увеличится, и перспективы тут есть, поскольку рекордные значения эффективности для теллурида кадмия составляли в 2011 году 15,6 и 13,8% при нанесении его тонкой пленки на стекло и гибкий полиимид соответственно. Батареи на полимерной основе весят в сотни раз меньше стеклянных, легко монтируются на изогнутых поверхностях, чем и привлекают внимание исследователей.

Тонкие пленки — еще не все. Элементы на квантовых точках из халькогенидов — сульфида, теллурида и селенида кадмия — перспективные представители солнечных элементов третьего поколения, которые, по мнению экспертов, способны наконец-то обеспечить этому источнику энергии самоокупаемость. Точки привлекают внимание исследователей, потому что благодаря зависимости их свойств от размеров можно добиться поглощения и преобразования в электричество всего солнечного спектра. Кроме того, в некоторых опытах халькогенидные квантовые точки показали способность к получению нескольких электронов от одного фотона — эффект множественной генерации экситонов. Очевидно, что при грамотном использовании он многократно увеличит эффективность преобразования света, а это позволяет рассчитывать на сближение стоимости электроэнергии от Солнца и сжигания угля.

Пока что, правда, потенциал квантовых точек полностью не раскрыт — рекордную эффективность в 5,42% на начало 2013 года демонстрировал элемент на квантовых точках из сульфида и селенида кадмия с добавками марганца (“Renewable and Sustainable Energy Reviews”, 2013, 22, 148–167; doi:10.1016/j.rser.2013.01.030). Считается, что сами по себе точки в этом не виноваты — еще не подобран оптимальный материал электродов, обеспечивающий полное снятие с них получившихся при фотореакции носителей заряда. Не исключено, что и при изготовлении электродов пригодится кадмий, — опыты с электродом из станната кадмия CdSnO₃ для солнечных батарей показывают неплохие результаты (“Solar Energy Materials & Solar Cells”, 2013, 117, 300–305; doi:10.1016/j.solmat.2013.06.009).

Какие еще наночастицы делают из соединений кадмия? Самые разнообразные: наностержни, нанотрубки и даже структуры, подобные морским ежам. Не исключено, что некоторые из них найдут себе применение в технологиях будущего.

Есть ли кадмий в оловянных солдатиках? Он вполне может там оказаться, потому что небольшая добавка кадмия очень сильно снижает температуру плавления других металлов и, соответственно, обеспечивает лучшее заполнение формы литейным сплавом. Неудивительно, что он входит в состав знаменитого сплава Вуда и его разновидностей. Такие сплавы находят широкое применение в металлографии (ими заливают шлифы, образцы для микроскопического исследования), в точном литье, они служат выплавляемыми стержнями при изготовлении полых фигур, а также легкоплавкими предохранителями. Видимо, именно английский инженер Барнаба Вуд первым и обнаружил способность кадмия снижать температуру плавления других металлов, ведь элементы, входящие в состав сплава его имени, — семь-восемь частей висмута, четыре свинца и по две олова и кадмия — имеют температуры плавления соответственно 271, 327, 231 и 742°С. А все вместе плавятся при 69°С! Этот результат в 1860 году был столь неожиданным, что редакционная коллегия журнала “The American Journal of Science and Arts” добавила к статье Вуда такую приписку: «У нас хватило времени, чтобы повторить только несколько интересных опытов доктора Вуда, относящихся к удивительному влиянию кадмия, которое он оказывает, понижая точки плавления различных сплавов». Сейчас способность кадмия снижать температуру плавления металлов используют, добавляя его в припои, — на это идет 2% мирового производства металла. Причем в припои не только промышленные, но и самодельные. Вот, например, на форуме ювелиров мастера дают такие рекомендации: «Добавьте немного кадмия в золото, его температура плавления окажется ниже, чем у металла изделия, и можно будет припаять требуемую деталь. Поскольку с большой вероятностью кадмий испарится при пайке, проба изделия может и не измениться. Только паять надо под тягой, чтобы не отравиться».

Каков путь кадмия в организм? «Кадмий в детских игрушках — это невозможно, он же ядовит», — скажет читатель. И будет прав, но только отчасти, поскольку вряд ли кадмий из оловянного солдатика (любой фигурки из серебристого тяжелого металла, отлитой в маленькой мастерской) или из желтого узора на салатнице может как-то попасть в организм человека. У него есть совсем другие пути. Их три. Во-первых, с дымом сигарет: кадмий прекрасно накапливается в табачных листьях. Во-вторых, из воздуха, особенно городского: в нем много дорожной пыли, получающейся при истирании шин и тормозных колодок (а кадмий входит в их состав); чем больше дышишь этой пылью, чем выше содержание кадмия в организме. Так, у регулировщиков дорожного движения оно в полтора раза больше, чем у дорожных рабочих из сельской местности (“Chemosphere”, 2013, 90, 7, 2077–2084). Присутствует кадмий и в дыме тепловых станций, если они работают на угле, и в дыме от сжигания дров, поскольку деревья извлекают его из почвы. Третий же источник — еда, особенно корни, листья и зерна растений: именно там накапливается кадмий. Исследования, проведенные учеными из Сиэтла, показали, что у молодых женщин, живущих в незагрязненных кадмием местах, курение — главный источник кадмия, оно увеличивает содержание этого металла в полтора раза. А вот среди пищевых продуктов значительным источником кадмия оказался соевый творог тофу — одна его порция в неделю увеличивает содержание кадмия в организме на 22% (“Science of the Total Environment”, 2011, 409, 9, 1632–1637). Много кадмия содержится в моллюсках и ракообразных, которые питаются планктоном. Новозеландские биологи установили, что кадмий в морской воде (его концентрация в ней составляет 0,11 мкг/л), скорее всего, оказался там по вине человека. Кадмий содержится в фосфорных удобрениях, оттуда он, кстати, главным образом и попадает в съедобные растения. Дожди смывают удобрения в реки, потом — в море. Кадмий путешествует на поверхности микрочастиц. Попав в соленую воду, он высвобождается и оказывается в фитопланктоне, а с ним и в устрицах. В результате моллюски, которых выращивают повыше в устьях рек, где кадмий от микрочастиц еще не отмылся, относительно чистые, а те, что ниже, содержат особенно много этого металла (“Science of the Total Environment”, 1996, 181, 1, 31–44). Содержание кадмия в устрицах — 13–26 мкг на грамм сухого веса. Для сравнения: в семечках подсолнечника, которые тоже считают важным источником кадмия, — 0,2–2,5 мкг на грамм зернышек, в листьях табака — 0,5–1 мкг на грамм сухого веса. Поскольку планктоном питаются не только устрицы, кадмий оказывается и в рыбе, выловленной в грязных морях. А самое грязное — Балтийское море, куда впадает много рек из промышленных районов и областей с интенсивным сельским хозяйством.

Как антропогенный кадмий попадает в окружающую среду? Помимо фосфорных удобрений, дорожной пыли и сгорания топлива, есть еще два пути. Первый — цветная металлургия: при всех усилиях, направленных на очистку выбросов, некоторое его количество неизбежно проходит сквозь все фильтры. Второй — свалки и места переработки мусора, например, когда там горит пластик. Однако на свалке даже без нагрева кадмий выщелачивается и с водой попадает в почву. В общем, цветная металлургия дает 5 тысяч тонн выбросов кадмия в год, сжигание мусора — 1,5, а производство фосфорных удобрений и сжигание дерева — по 0,2 тысячи тонн из тех семи с лишним тысяч тонн, которые человек рассеивает в окружающей среде примерно с 30-х годов XX века. Собственные возможности природы скромнее: 0,52 тысячи тонн дают вулканы и 0,2 тысячи тонн — выделения растений, всего 0,83 тысячи тонн (см. «Химию и жизнь», 1979, №12). Иными словами, превратить в металл (а мировой выпуск уже которое десятилетие колеблется в пределах 17–20 тысяч тонн в год) удается не более двух третей извлеченного из земных недр кадмия, так что перспективы утилизации здесь весьма широки. Однако нет стимула, о чем пойдет речь дальше.

Как поведут себя новые материалы, содержащие кадмий, на свалке? По-разному. Подробный анализ провел Василий Фтенакос из Брукхевенской национальной лаборатории (США), который подробно описал жизненный цикл батареи из теллурида кадмия (“Renewable and Sustainable Energy Reviews”, 2004, 8, 303–334; doi:10.1016/j.rser.2003.12.001). Он рассуждает так. В солнечном элементе соединение кадмия расположено между слоями стекла или пластика. Поэтому частицы, содержащие кадмий, могут появиться в окружающей среде лишь при разрушении элемента, что случается либо в очень пыльной местности, либо при поломке. Но даже тогда, как показал эксперимент, никакой дождь не в состоянии вымыть сколько-нибудь заметное количество кадмия из элемента. Температура испарения CdTe превышает 1000°С, а CdS, также имеющегося в этих элементах, — 1700°С, поэтому никакого испарения при эксплуатации не будет.

А что, если элемент стоит на крыше частного дома, в котором случился пожар? На воздухе теллурид кадмия остается стабильным вплоть до температур 1050°С, что меньше нагрева при обычном пожаре. Прямые опыты доказали, что, если батарея сделана на стеклянной подложке, почти весь кадмий останется в расплавленном стекле — лишь 0,6% его и без того небольшого количества (все-таки это тонкая пленка) может высвободиться. Некоторые элементы, оказавшись разбитыми на свалке, действительно разрушаются, высвобождая кадмий, другие же, более современные, нет. Законодательным регулированием можно добиться, чтобы выбрасывали только безвредные элементы. А лучше бы вообще их не выбрасывать, ведь в них есть ценный теллур.

К сожалению, Фтенакос ничего не говорит об элементах на полимерной основе, которая, скорее всего, сгорит, и никакого вплавления кадмия в стекло не произойдет. Зато он отмечает, что запреты на использование кадмия могут привести к гораздо худшим последствиям: лишившись рынка сбыта, изготовители цинка, свинца и меди перестанут извлекать кадмий из отходов и те станут гораздо сильнее загрязнять все вокруг, чем свалки (вспомним треть кадмия, вылетающего в трубу). Поэтому использование кадмия надо расширять при ужесточении мер по утилизации изделий.

Отдельно стоит вопрос об устройствах на наноточках: при разрушении эти материалы неизбежно будут рассеивать наночастицы, которые смогут перемещаться по пищевой цепи. Есть данные (“Journal of Hazardous Materials”, 2011, 192, 15, 192–199; doi:10.1016/j.jhazmat.2011.05.003), что при этом они отнюдь не останутся неизменными: в печени и почках крыс, которым наноточки селенида кадмия вводили в брюшную полость, отмечалось возрастание свободного кадмия. Сильнее всего эффект был выражен, если наночастицы перед употреблением освещали ультрафиолетом (видимо, так и будет с нанопылью в природных условиях). Очевидно, что требования к утилизации солнечных элементов и других устройств на подобных наночастицах должны быть строже, чем при использовании монолитных изделий.

Чем опасен кадмий? Вопрос гораздо сложнее, чем может показаться, поскольку кадмий попадает в организм в микроскопических количествах и действует далеко не мгновенно. Подробно об этом пишут исследователи из университета Северной Дакоты во главе с Сойсунваном Сатаругом (“Environmental Health Perspectives”, 2010, 118, 182–190; doi:10.1289/ehp.0901234). Перескажем этот обзор.

Можно считать доказанным, что у людей, проживающих в местностях, где в почве содержится значительное количество кадмия и пища постоянно загрязнена им, наблюдается повышенная хрупкость костей. Японцы назвали эту болезнь итай-итай: она проявилась в 40-е годы в префектуре Тояма, где фермеры использовали воду из цинковой шахты для орошения полей. Содержание кадмия в рисе было таким высоким, что ежедневное его потребление составило 600 мкг в день, или 4200 мкг в неделю, или до 2 граммов на человека за всю жизнь. Выявить причинно-следственную связь тут несложно, чего не скажешь о хроническом потреблении кадмия в малых дозах. Здесь все сводится к процентам риска получить то или иное заболевание. До сих пор досконально неизвестно, какие дозы кадмия можно считать безвредными. Всемирная организация здравоохранения в 1989 году назвала максимальное допустимое потребление кадмия в неделю: 400–500 мкг, исходя из того, что 2 г за всю жизнь — это много, приводит к итай-итай. В 1992 году норму пересчитали, она составила 7 мкг в день на килограмм веса. Нетрудно заметить, что недельная доза для человека весом 70 кг получается такой же — 490 мкг. При расчете предполагали, что организм усваивает 5% поступающего в него кадмия, а с мочой выходит 0,005% от того количества металла, что уже в нем есть. Однако некоторые медики подвергают такую модель сомнению, указывая, что им встречались случаи, когда организм усваивал и 40% поступившего в него кадмия. Более того, измерения показали, что потребление уже 1 мкг на кг в день приводит к тому, что в моче окажется 2 мкг кадмия на грамм креатинина, а неприятные эффекты проявляются и при гораздо меньшем его содержании. (Содержание в моче кадмия и других вредных металлов, концентрация которых мала, обычно выражают в микрограммах на грамм креатинина — это вещество образуется при работе мышц и постоянно выделяется с мочой. Результат, представленный в таких единицах, не зависит от разведения образца. Далее слово «креатинин» будем опускать. Очевидно, что мерить кадмий в моче гораздо проще, чем его поступление в организм из разных источников)

Какие это эффекты? При прочтении обзора складывается мнение, что кадмий вызывает симптомы старости. Прежде всего, накапливаясь в почках, он ускоряет деградацию почечных канальцев. По одним данным, если с мочой выделяется 2–4 мкг кадмия за сутки, вероятность деградации почек составляет 10%; согласно другим, когда меряют не суточное выделение, а концентрацию в исследуемом образце, опасно уже содержание кадмия в моче 0,67 мкг/г. (Если считать, что за сутки с мочой выделяется 1–2 грамма креатинина, то получается, что опасная суточная доза выделения кадмия — около 1 мкг.) В результате деградации канальцев ослабляется способность почек возвращать в организм витамины, минералы и прочие полезные вещества, например связанные с металлотионеинами цинк и медь, кальций, фосфаты, глюкозу, аминокислоты. Двукратное повышение уровня кадмия в моче повышает содержание в ней кальция на 2 мг в день. Нетрудно догадаться, что потери кальция увеличивают риск остеопороза. Действительно, в группе женщин старше 50 лет с более 1 мкг/г кадмия в моче риск остеопороза на 43% выше, чем у тех, у кого было менее 0,5 мкг/г. При содержании кадмия между 1 и 2 мкг/г риск повышенного содержания глюкозы и развития диабета второго типа — соответственно 1,48 и 1,24 по сравнению с теми, у кого его меньше 1 мкг/г. Обследование корейцев, четверть которых страдала от высокого давления, показало, что риск этого недомогания у людей с высоким содержанием кадмия в полтора раза выше, чем с низким. Риск инфаркта у женщин с содержанием более 0,88 мкг/г кадмия в моче в 1,8 раз выше по сравнению с теми, у кого меньше 0,43 мкг/г. Вероятность смерти от рака у мужчин с менее 0,22 и более 0,48 мкг/г кадмия в моче различается в 4,3 раз. Имеются подозрения, что кадмий снижает плодовитость у мужчин.

В общем, из данных труда доктора Сатаруга с коллегами следует, что именно загрязнение окружающей среды кадмием виновато в том, что возрастные болезни на протяжении XX века сильно «помолодели».

Есть и странные данные. Так, замечена сильная связь между содержанием кадмия в моче и риском получить высокое давление у американцев, которые не курят, в то время как у курильщиков такой связи не замечено. Между тем у любителей сигарет потребление кадмия заведомо выше, а, кроме того, содержание кадмия в моче американцев вообще в три с лишним раза меньше, чем у упомянутых выше корейцев. У курильщиков со старческой деградацией сетчатки уровень кадмия в моче составил 1,18 мкг/г — почти в два раза больше, чем у курильщиков без этой болезни и здоровых некурящих. Однако и у тех некурильщиков, у которых болезнь развилась, кадмия было столь же мало, как и у здоровых людей — значит, дело не только в нем. Подобные противоречивые данные заставляют задать вопрос: а может быть, повышенное содержание кадмия в моче отражает не причину, а следствие каких-то системных процессов в организме? В конце концов, потребление кадмия в большинстве упомянутых в обзоре работах не мерили, только его выход.

Как бороться с кадмием в организме? Научных исследований на эту тему немного, а принцип указан в той же работе исследователей из Северной Дакоты. Кадмий не входит в число жизненно важных элементов, поэтому в организме нет никаких специальных механизмов для его усвоения — кадмий пользуется теми, что предусмотрены для схожих с ним тяжелых металлов, образующих двухвалентные ионы: цинка, железа, марганца и кальция. Недостаток какого-то из этих элементов сразу же приводит к повышенному усвоению кадмия. Так, недостаток железа увеличивает содержание кадмия у тайских женщин в три-четыре раза. То же самое выявили при изучении женщин Бангладеш, но в игре участвовал еще и цинк. Отсюда следует, сколь важно поддерживать правильный микроэлементный баланс в организме.

Есть и другие идеи. Например, бразильцы показывают, что кофеин существенно, в два с лишним раза, снижает содержание кадмия и в крови, и в тканях, в том числе половых, у подопытных крыс (“Reproductive Toxicology”, 2013, 35, 137–143; doi:10.1016/j.reprotox.2012.10.009). По мнению исследователей, кофеин образует комплексы с кадмием, не допуская его усвоения. Напрашивается вывод: обычай запивать трапезу кофе или чаем, где тоже есть кофеин, — правильный.

Иногда возникает парадокс: еда с высоким содержанием кадмия на организме не сказывается. Так, исследование любителей устриц, проведенное в 1986 году, привело к сюрпризу: при максимальном потреблении 72 устриц в неделю они съедали чудовищные 1750 мкг кадмия, но это никак не проявлялось ни в составе мочи, ни в составе волос. Куда девался весь этот кадмий, остается загадкой. Есть предположение, что селен, содержание которого в тех устрицах было высоким, как-то помешал усвоению кадмия, и тот, видимо, вышел с прочими несъедобными веществами через кишечник. Впрочем, в 2008 году соответствие генеральной линии восстановили: у работников устричной фермы, которые каждую неделю съедали по 18 устриц в течение более 12 лет, содержание кадмия в моче выросло-таки в 2,5 раз по сравнению со средним в США — до 0,76 мкг/г.

А может быть, лучше бороться с кадмием до его проникновения в организм, например следить, чтобы он не попадал в почву и воздух? Освободить от кадмия фосфорные удобрения вряд ли возможно, выводить растения с пониженной усвояемостью кадмия долго и дорого, хотя попытки в отношении табака предпринимаются, но можно очистить почву растениями-гипераккумуляторами — в случае с кадмием это паслен черный Solanum nigrum, он же съедобная ягода вороняжка, французская разновидность похожей на пастушью сумку или горчицу яруточки сизоватой или ярутки альпийской (Thlaspi caerulescens) и китайский очиток Sedum alfredii. Правда, неясно, куда девать обогащенные кадмием части этих растений — в компост и золу, получаемую на садовом участке, они явно не годятся. При промышленном сжигании так называемого твердого биотоплива — соломы, хвороста и т. п. — возможности освободиться от вредного металла имеются: нужно отделять содержащие его высокотемпературные фракции дыма от низкотемпературных — тогда получившуюся золу можно будет без опаски вносить назад на поле, восстанавливая его плодородие.

Но главное, что следует чистить, — это воздух. Самый радикальный метод выбрали американские, а теперь и евросоюзовские власти — непримиримая борьба с табакокурением (“Environmental Health Perspectives”, 2012, 120, 2, 204–209; doi:10.1289/ehp.1104020). Результаты налицо: среднее содержание кадмия в моче американцев снизилось с 0,36 мкг/г в 1988 году до 0,26 мкг/г в 2008-м. Поскольку даже у заядлых курильщиков (а по американским меркам это 20 и более пачек в год) оно упало с 0,71 до 0,49, а у некурильщиков — с 0,26 до 0,19, следует предполагать, что запреты на курение в общественных местах существенно уменьшили эффекты от пассивного потребления табачного дыма. С учетом приведенных выше данных о вредности микродоз кадмия, такие запреты кажутся самым легкоосуществимым и весьма значимым вкладом в общественное здоровье. Стоило бы также ужесточить требования к выбросам заводов цветной металлургии, котельных и автомобилей, а заодно сделать так, чтобы из-под колес, «обутых» в резину, летело меньше вредной пыли.

Источник