CC BY
13
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.025 УДК 632.122.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МАТЕРИАЛОВ ГИДРОБОТАНИЧЕСКИХ ПЛОЩАДОК С КОМПОНЕНТАМИ АЭРОТЕХНОГЕННЫХ ВЫБРОСОВ
И. А. Мосендз12, И. П. Кременецкая1, С. В. Дрогобужская1
1 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ «Кольский научный центр РАН», Апатиты, Россия
2Лаборатория природоподобных технологий и техносферной безопасности Арктики ФИЦ «Кольский научный центр РАН», Апатиты, Россия
Аннотация
Представлены результаты оценки процессов накопления металлов фильтрующими модулями на основе горнопромышленных отходов. В качестве материала, способного сорбировать тяжелые металлы, поступающие с атмосферными осадками, использован зернистый сунгулитовый продукт (продукт обогащения вермикулит-сунгулитовых отходов открытой добычи флогопита). Установлено, что зернистый сунгулитовый продукт обладает хорошей поглотительной способностью по отношению к тяжелым металлам, отмечается высокое содержание кальция, магния и кремния в продукте. Ключевые слова:
серпентины, горнопромышленные отходы, тяжелые металлы, медь, никель, промышленная зона, ремедиация.
EXPERIMENTAL MODELING OF THE INTERACTION BETWEEN MATERIALS OF PLANT-ADSORPTIVE PLOTS AND ATMOSPHERIC EMISSION COMPONENTS
I. A. Mosendz12, I. P. Kremenetskaya1, S. V. Drogobuzhskaya1
1Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC "Kola Science Centre RAS", Apatity, Russia
2Laboratory of Nature-Inspired Technologies and Environmental Safety of the Arctic, Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia
Abstract
The article presents evaluation results of metal accumulation processes by filtering containers based on mining waste. Serpentine-reached grainy material (an enrichment product of phlogopite mining waste) was used for sorbing heavy metals from atmospheric precipitation. It has been established that the serpentine-reached grainy material is characterized by useful sorption features with respect to heavy metals and high content of calcium, magnesium and silicon. Keywords:
serpentine, mining waste, heavy metals, copper, nickel, industrial zone, remediation.
Важным направлением реализации государственной политики в области научных исследований и научного обеспечения деятельности в Арктике становится разработка комплекса мероприятий, целью которых является улучшение качества окружающей природной среды [1]. В связи с тем что имеющиеся на сегодняшний день способы устранения накопленного экологического ущерба, обусловленного образованием техногенно загрязненных территорий, являются неприемлемыми для зоны Арктики, актуальной научной задачей становится разработка технологических методов для снижения негативного воздействия металлургического производства на окружающую среду. Одним из способов аккумуляции токсичных компонентов является создание гидроботанических площадок из сорбционно-активных материалов [2]. Для исследования свойств таких площадок необходимо разработать метод экспериментального моделирования взаимодействия материалов площадок с компонентами загрязненной атмосферы. Для снижения интенсивности миграции токсичных компонентов в системе почва — вода предложен способ реабилитации техногенного грунта с применением минеральных субстратов [3, 4]. Для оценки процессов накопления металлов компонентами рекультивационного слоя (мелиорантом и растениями) в 2017 г. был заложен специальный эксперимент с применением фильтрующих модулей. В качестве материалов, способных сорбировать тяжелые металлы, использованы продукты обогащения вермикулит-сунгулитовых отходов добычи флогопита (г. Ковдор, Мурманская область), а именно зернистый сунгулитовый продукт [5].
Сорбционные модули были изготовлены из фильтрующего геотекстильного материала в виде цилиндров диаметром 10 см и высотой 20 см. Внутренняя часть модулей сделана из
водонепроницаемого материала тех же размеров для предотвращения контакта с почвой, в которую модули заглубляли на всю высоту. Сорбент загружали в модули послойно, разделяя слои диском из геотекстильного материала. Еще одним вариантом эксперимента являлась посадка растений (Festuca rubra L.) на поверхность части модулей.
Проведено сравнение процессов поглощения компонентов атмосферных осадков зернистым сунгулитовым продуктом на трех экспериментальных участках: (1) фоновая — между городами Апатиты и Кировск, (2) — г. Мончегорск и (3) — г. Заполярный, которые расположены в зоне влияния предприятий АО «Кольская ГМК». Для получения достоверных статистических данных на каждом участке модули закладывали в трех повторностях. Продолжительность эксперимента составила один год. По окончании эксперимента проанализирован состав модулей, в том числе определено содержание водорастворимой фракции, подвижной (экстракция ацетатно-аммонийным буфером, рН 4,65) и кислоторастворимой (HNO3 1 г-экв/г) формы элементов. В данной работе для каждого определения форм компонентов использовали исходный материал, т. е. в кислоторастворимой фракции присутствуют подвижные компоненты, а в составе подвижной фракции дополнительно выделены водорастворимые компоненты.
Данные по слоям для кислоторастворимой формы показали, что изменение состава материала происходит преимущественно в первом слое. При продолжительности эксперимента один год в первом слое модулей с зернистым сунгулитовым продуктом происходит процесс большего накопления металлов по сравнению с более глубокими слоями, где преимущественно наблюдается частичное выщелачивание никеля, а медь практически не накапливается. Исходя из этого, в настоящей работе даются данные о содержании компонентов в первых слоях фильтрующих модулей.
На рисунке 1 представлены данные о содержании макрокомпонентов в кислоторастворимой форме. В г. Заполярном содержание кальция выше по сравнению с другими экспериментальными участками, однако, принимая во внимание статистическую погрешность, полученный результат не отличается от данных для исходного материала. Магний выщелачивается на площадках вблизи городов Апатиты и Мончегорск. Полученные данные могут свидетельствовать об инконгруэнтном растворении гидросиликатов магния (сунгулита) под воздействием атмосферных осадков с образованием формы, имеющей большую растворимость, — ортосиликата магния. На всех участках прослеживается увеличение кислоторастворимой формы кремния, однако на промышленных площадках в опытах с использованием растений количество компонента сохраняется на уровне исходного зернистого продукта.
Са Mg Si
С. г/кг С, г/кг С. г/кг
Рис. 1. Содержание макрокомпонентов в кислоторастворимой форме в первом слое модулей с зернистым сунгулитовым продуктом на площадках городов Апатиты (А), Заполярный (З) и Мончегорск (М): * — опыты с использованием растений
Анализ данных по накоплению тяжелых металлов в первом слое модулей показывает существенное отличие между экспериментальными площадками (рис. 2). Обнаружено статистически значимое увеличение содержание меди на площадке г. Мончегорска, никеля и кобальта — в г. Заполярном. На участке в г. Апатиты происходит незначительное выщелачивание никеля и кобальта, медь не накапливается. Для опытов с растениями наблюдается тенденция снижения содержания металлов в минеральном слое, что говорит о процессе поглощения металлов растениями.
Основным назначением гидроботанических площадок является сорбция и удержание токсичных компонентов. В настоящей работе в качестве таковых рассматриваются тяжелые металлы — медь, никель
и кобальт. Кроме того, для функционирования площадок важным условием является поддержание условий, благоприятных для произрастания растений. Так, биодоступная (подвижная) фракция, с одной стороны, соответствует составу почвенного раствора, а с другой — удерживается в прикорневой области и не мигрирует за пределы искусственного грунта. Таким образом, анализ состава биодоступной фракции элементов является важной составляющей исследования с точки зрения эффективности сорбции металлов, и для прогнозирования возможности произрастания растений на гидроботанических площадках.
Си N1 Со
С, ыг/кг С, ыг/кг С, ыг/кг
СЗ А А* М М* 3 3* СЗ А А* М М* 3 3* СЗ А А* М М* 3 3*
Рис. 2. Содержание тяжелых металлов в кислоторастворимой форме в первом слое модулей с зернистым сунгулитовым продуктом на площадках городов Апатиты (А), Заполярный (З) и Мончегорск (М): * — опыты с использованием растений
Данные по биодоступным формам подтверждают факт накопления материалом модулей тяжелых металлов, а также роль растений в поглощении элементов (рис. 3). Наибольшее количество подвижной меди в зернистом продукте зафиксировано на экспериментальной площадке вблизи г. Мончегорска — 10 мг/кг. Также отмечено увеличение содержания подвижного никеля и кобальта в г. Заполярном. Результаты определения наиболее мобильной водорастворимой формы показали, что медь в модулях закрепляется в составе подвижной и кислоторастворимой фракций (рис. 4). Можно также отметить тенденцию снижения содержания водорастворимой формы никеля и меди на площадках городов Апатиты и Мончегорск.
Си
N1
Со
Рис. 3. Содержание тяжелых металлов в биодоступной форме в первом слое модулей с зернистым сунгулитовым продуктом на площадках городов Апатиты (А), Заполярный (З) и Мончегорск (М): * — опыты с использованием растений
Cu
Ni
Co
Рис. 4. Содержание тяжелых металлов в водорастворимой форме в первом слое модулей с зернистым сунгулитовым продуктом на площадках городов Апатиты (А), Заполярный (З) и Мончегорск (М): * — опыты с использованием растений
Для оценки способности зернистого сунгулитового продукта сорбировать тяжелые металлы рассчитан такой показатель, как изменение содержания металлов в процессе эксперимента по сравнению с исходным материалом (рис. 5). Результаты показали, что практически не происходит изменение содержания водорастворимой фракции. На площадках с высоким уровнем загрязнения наблюдается сорбция меди, более активно медь накапливается на площадке г. Мончегорска. Следует отметить, что более половины сорбированной меди трансформируется в устойчивое соединение, которое не выщелачивается при обработке ацетатно-аммонийным буферным раствором. Аналогичные результаты получены и для никеля в г. Заполярном, они сопоставимы с сорбцией меди в г. Мончегорске. Очевидно, что данные по сорбции металлов материалом модулей отражают состав атмосферного воздуха в районе экспериментальных площадок. При взаимодействии зернистого сунгулитового продукта с растворами с низкой концентрацией никеля происходит его выщелачивание. Полученный результат показывает, что данный материал следует использовать при условии его взаимодействия с более концентрированными растворами, например, в условиях непосредственного контакта с загрязненной почвой.
Cu
Ni
Рис. 5. Сорбция меди и никеля зернистым сунгулитовым продуктом на площадках городов Апатиты (А), Заполярный (З) и Мончегорск (М):
----водорастворимая, А — биодоступная, • — кислоторастворимая формы тяжелых металлов; * — опыты
с использованием растений
Данные о высоте растений, высаженных на поверхности модулей, показали угнетенное состояние растительного покрова на экспериментальных площадках в промышленной зоне (рис. 6). Прежде всего, такое состояние можно объяснить тем, что растения накапливают медь, никель и кобальт, поступающие с атмосферными осадками, выступая в качестве фитобарьера. Это подтверждается показателями модуля токсичности (Мт), рассчитанного для зернистого продукта
(табл.). Данный критерий применяется в качестве характеристики свойств материала и определяется как отношение суммарного мольного содержания меди и никеля к кальцию и магнию. Ранее было выявлено [6], что стократное превышение суммы молярного содержания макроэлементов относительно суммы металлов (Мт =1) нейтрализует токсическое действие тяжелых металлов на фотосинтетический аппарат растений, тогда как увеличение этого показателя в два раза (Мт = 2) приводит к угнетению фотосинтеза. Таким образом, значения Мт свидетельствуют о низкой токсичности субстратов для всех трех экспериментальных площадок.
Рис. 6. Высота растений, высаженных на модулях с зернистым сунгулитовым продуктом на площадках городов Апатиты (А), Заполярный (З) и Мончегорск (М)
Таблица
Модуль токсичности, рассчитанный для зернистого сунгулитового продукта на площадках городов
Апатиты (А), Заполярный (З) и Мончегорск (М)
Маркировка опыта А А* М М* З З*
Мт 0,058 0,055 0,065 0,062 0,145 0,109
* Опыты с использованием растений.
Результаты экспериментального моделирования показывают, что зернистый сунгулитовый продукт, обладающий хорошей сорбционной способностью по отношению к тяжелым металлам и низкой степенью токсичности, может быть использован в качестве материала для создания фитоадсорбционных площадок. Конструкция сорбционных модулей позволяет выявить процессы поступления на территорию загрязняющих веществ из атмосферного воздуха и их миграцию по глубине почвенного профиля. Размер модулей дает возможность высадить на них растения и выявить их роль в поглощении металлов. В то же время модули являются достаточно компактными, что снижает трудоемкость постановки эксперимента. Данный способ моделирования позволяет применять различные варианты постановки эксперимента с количеством повторностей, достаточным для получения статистически надежных данных. Контроль содержания трех форм компонентов, две из которых (кислоторастворимая и доступная для растений) соответствуют различным механизмам сорбции металлов, дает возможность рассмотреть процессы трансформации компонентов при взаимодействии с активными минеральными фазами сорбирующих модулей.
Литература
1. Некипелов А. Д., Макоско А. А. Перспективы фундаментальных научных исследований в Арктике // Арктика: экология и экономика. 2011. № 4. С. 14-21.
2. Кривицкий С. В. Методы биоинженерной геоэкологии при проведении экологической реабилитации природных объектов // Вестник МГСУ. 2009. № 4. С. 285-291.
3. Кременецкая И. П., Корытная О. П., Васильева Т. Н. Реагент для иммобилизации тяжелых металлов из серпентинсодержащих вскрышных пород // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2008. № 4 (4). С. 33-40.
4. Применение магнезиально-силикатного реагента для очистки от тяжелых металлов природно-антропогенных водных источников, расположенных в зоне воздействия ОАО «Кольская ГМК» (площадка Мончегорск) / И. П. Кременецкая и др. // Цветные металлы. 2012. № 7. С. 35-40.
5. Материалы природоохранного назначения из отходов добычи флогопита / И. П. Кременецкая и др. // Экология и промышленность России. 2015. Т. 19, № 2. С. 18-23.
6. Technosols on mining wastes in the Subarctic: Efficiency of remediation under Cu-Ni atmospheric pollution / M.
V. Slukovskaya et al. // International Soil and Water Conservation Research. 2019. No. 7. P. 297-307. Сведения об авторах
Мосендз Ирина Александровна
младший научный сотрудник, Лаборатория природоподобных технологий и техносферной безопасности Арктики ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты; Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, ia.mosendz@ksc.ru Кременецкая Ирина Петровна
кандидат технических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, i.kremenetskaia@ksc.ru Дрогобужская Светлана Витальевна
кандидат химических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, s.drogobuzhskaia@ksc.ru
Mosendz Irina Alexandrovna
Junior Researcher, Laboratory of Nature-Inspired Technologies and Environmental Safety of the Arctic, Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity; Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, ia.mosendz@ksc.ru Kremenetskaya Irina Petrovna
PhD (Engineering), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, i.kremenetskaia@ksc.ru Drogobuzhskaya Svetlana Vitalevna
PhD (Chemistry), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, s.drogobuzhskaia@ksc.ru
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.026 УДК 553.3/.4
ПРОБЛЕМА РЕДКИХ ЗЕМЕЛЬ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАК ПРЕДМЕТ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
А. В. Нечаев, Е. Г. Поляков
НПК «Русредмет», Санкт-Петербург, Россия Аннотация
Рассматривается ситуация на мировом рынке редкоземельных металлов (РЗМ), тенденции её изменения, нарастающий дисбаланс в структуре производства / потребления. Проанализированы текущая ситуация с РЗМ в России и пути решения существующих в этой области проблем. Рассмотрена схема взаимодействия участников во всех звеньях технологической цепи — от сырья до потребительской продукции на основе РЗМ. Ключевые слова:
редкоземельные металлы, рынок, сырьё, технологическая цепочка, кооперация участников.
PROBLEM OF RARE EARTHS IN RUSSIA AS A SUBJECT OF MULTIDISCIPLINARY STUDY A. V. Nechaev, E. G. Polyakov
NPC "Rusredmet", Saint Petersburg, Russia Abstract
World market of REE as well as its current trends and growing disbalance in the production / consumption structure are considered in this paper. Analysis of the rare earths production in our country and ways to solve problems available were done. Scheme of interaction of technological chain participants from raw materials to consumer goods is discussed. Keywords:
rare earth metals, market, raw materials, technological chain, cooperation of participants.
Такого роста мирового производства, который демонстрирует в последние четверть века металлургия редкоземельных металлов, не знает ни одна другая отрасль производства металлов и их соединений. Увеличение составило 3,5 раза, превысив 180 тыс. т, и тенденция роста сохраняется.
