CC BY
13УДК 574.5:541.1 ЭО! 10.25257^Е.2017.3.64-68
Зубарева А. В., Кравцов А. В., Зотов С. В., Станкевич В. М.
ФИЛЬТРОАДСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ЗАГРЯЗНЁННЫХ ДОЛГОЖИВУЩИМИ РАДИОНУКЛИДАМИ ВОДОЁМОВ
На примере озера Персток проведено исследование замкнутых водных объектов, содержащих долгоживущие радионуклиды. Предложен способ фильтроадсорбционной очистки воды, загрязнённой в результате аварии на Чернобыльской атомной электростанции. Показана эффективность применения для этой цели синтетических волокон в комбинации с биоагентами, причём каждый компонент реализует специфическую функцию.
Ключевые слова: долгоживущие радионуклиды, биоагенты, технические средства фильтроадсорбционной очистки.
В современном индустриальном мире вопросы защиты экосистем от техногенного воздействия стоят очень остро. На протяжении последних 100 лет масштаб воздействия человека на окружающую среду резко возрос и с наступлением атомной эры стал глобальным. Значительную проблему для общества представляет собой загрязнение биосферы радионуклидами природного и искусственного происхождений. Потенциальным источником радиоактивного загрязнения являются предприятия, использующие радиационные технологии, а особым форс-мажорным случаем выступают техногенные аварии.
Вследствие Чернобыльской катастрофы значительные территории в межграничном ареале Беларуси, Украины и России оказались загрязнены радионуклидами (в Беларуси - 46,45 тыс. км2, или 23 % от общей площади [1]). Глобальный характер катастрофы обусловил интенсификацию работ по изучению радиоэкологической ситуации как в наиболее загрязнённой 30-км зоне (Полесский государственный радиационно-экологический заповедник, ПГРЭЗ), так и в районах других аварий, включая сбросы сточных вод предприятий оружейного ядерного комплекса. Ряд авторов с сожалением констатирует, что масштабы аварии на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС) значительно превзошли имеющиеся научно-технические возможности защиты водных экосистем больших рек и водохранилищ [2]. Открытыми остаются вопросы разработки технических средств для локализации и ликвидации негативного воздействия радиоактивного загрязнения, возникшего в результате аварийной ситуации, для сохранения экосистем и их биоразнообразия.
Перспективным представляется поиск решения этих проблем на стыке радиобиологии, экологии и технических наук с учётом опыта, накопленного при разработке полимерных волокнисто-пористых фильтрующих материалов.
Цель работы - изучение экологического состояния замкнутых водных объектов Гомельской области на примере непроточного озера Персток (территория ПГРЭЗ), наиболее сильно загрязнённого долгоживущими радионуклидами. Основная задача работы - поиск способов очистки водоёмов от указанного типа техногенных загрязнений.
Анализ многолетней динамики загрязнения (2002-2015 гг.) долгоживущими радионуклидами замкнутых водоёмов на территориях, подвергшихся воздействию катастрофы на ЧАЭС, свидетельствует о том, что наибольшая удельная активность наблюдается в воде озера Персток (рис. 1) и составляет по 137Сэ - 3,11 Бк/л; 90Эг - 5,16 Бк/л, 239+240Ри - 1,51 Бк/л; 241Дш - 2,24 Бк/л. Дополнительно к этому продолжается накопление долго-живущих радионуклидов в компонентах водных экосистем (высшие водные растения, ихтиофауна, донные отложения). Следует отметить, что тенденции к снижению уровня загрязнения в озере Персток не наблюдается, а по некоторым показателям (трансурановые элементы, ТУЭ) этот уровень даже возрастает.
Рисунок 1. Озеро Персток
Авторами экспериментально установлено, что существует возможность эффективной очистки загрязнённой воды при помощи комбинированного использования биоагентов, способных к активной сорбции радионуклидов с выведением последних из биологического круговорота, в сочетании с техническими средствами фильтроадсорбцион-ной очистки. Такую возможность обеспечивает комбинированный сорбент на основе полимерного волокнисто-пористого melt-blown носителя, им-прегнированного дисперсной взвесью гуминовых веществ. Тип носителя выбран ввиду достигаемого в melt-blown материалах уникального сочетания структурных параметров и физических свойств [3]. Для очистки многофазных сред от загрязнений разработана номенклатура волокнисто-пористых фильтроэлементов [4]. В ходе исследований подчёркнута роль физических полей, которые в комбинации со структурой melt-blown материалов позволяют ввести в действие взаимодополняющие механизмы захвата загрязнений [5]. Предположение о реализации этих механизмов в изучаемой системе рассмотрено ниже.
Изготовлено несколько экспериментальных вариантов комбинированного сорбента, который содержит в себе волокнисто-пористый носитель в виде диска толщиной не более 1 см и диаметром не менее 10 см, выполненный из полиэтилена высокого давления или полипропилена методом пневмоэкструзии из расплава (melt blowing). Материал носителя состоит из волокон диаметром 20-100 мкм и имеет плотность 0,2-0,3 г/см3 (пористость 70-80 %). Волокна могут быть наполнены ферромагнитным наполнителем - ферритом стронция в количестве 10-15 масс. %, вследствие чего носитель обладает остаточной магнитной индукцией в пределах 0,4-0,6 мТл. В ходе формирования волокнисто-пористого melt-blown материала его волокнам вследствие принудительной электризации мог быть придан электретный заряд с эффективной поверхностной плотностью до 15 нКл/см. Волокнисто-пористый носитель может быть им-прегнирован дисперсной взвесью гуминовых веществ в количестве до 6 масс. % от общей массы сорбента. Дополнительно установлено, что максимум биоагента удается ввести в волокнисто-пористый носитель с плотностью 0,2 г/см3, средним диаметром волокон 50 мкм, электретным зарядом с эффективной поверхностной плотностью 15 нКл/см2 и остаточной магнитной индукцией в диапазоне 0,4-0,6 мТл.
Сорбенты разных типов (таблица) погружали в пробу воды, взятую из озера Персток. После извлечения сорбента анализировали воду (фильтрат) по критерию удельной активности долгоживущих радионуклидов. В таблице приведены экспериментальные данные, характеризующие извлечение
из воды долгоживущих радионуклидов. Видно, что фильтрат, контактировавший с комбинированным сорбентом (таблица, комбинированный сорбент), демонстрирует наименьшую удельную активность в сравнении с индивидуальными образцами волокнисто-пористого материала (обладающий или не обладающий электрической и магнитной активностью) и навеской биоагента (гуминовые вещества). В межпоровое пространство волокнисто-пористого материала плотностью 0,2-0,3 г/см3 могут быть импрегнированы как гуминовые вещества, так и зелёные водоросли, уже зарекомендовавшие себя в качестве средства биологической очистки водных объектов [6-8].
Гуминовые вещества являются одним из известных и доступных сорбционно-активных веществ. Находясь в водоёмах, они выполняют важную роль в обезвреживании, накоплении и миграции загрязнителей. В настоящее время доказано участие гуминовых веществ в детоксикации пестицидов, тяжёлых металлов, радионуклидов [9, 10]. Экспериментально установлено, что удельная активность по 1370з в водоросли хлорелла, выращенной в воде из озера Персток, составила 71,3 Бк/кг. С добавлением к хлорелле гуминовых кислот в объёме 50 мг на 1 литр воды удельная активность водоросли снижалась до 22,8 Бк/кг. Удельная активность по 1370э в отфильтрованной через фильтр «белая лента» воде составила 2,5 Бк/кг по сравнению с первоначальным (до внесения в воду сорбентов) значением 3,1 Бк/кг. При этом использовании для фильтрации комбинированного сорбента удельная активность отфильтрованной воды оказалась ниже минимально детектируемой активности (МДА).
Таким образом, именно с помощью комбинированного сорбента, обладающего электрической
Удельная активность долгоживущих радионуклидов в фильтрате
Анализируемый объект Удельная активность долгоживущих радионуклидов, Бк/кг
137Cs 239+240pu 241Am
Нефильтрованная вода 5,64 2,02 2,42
Волокнисто-пористый материал, незаряженный и ненамагниченный 3,85 2,02 0,55
Волокнисто-пористый материал, заряжённый (15 нКл/см2) и намагниченный (0,4 мТл, содержит феррит стронция) 3,12 1,57 0,38
Гуминовые вещества 3,06 1,53 0,36
Комбинированный сорбент: волокнисто-пористый носитель, заряжённый (15 нКл/см2) и намагниченный (0,4 мТл, содержит феррит стронция + гуминовые вещества) 2,45 0,62 0,27
и магнитной активностью, достигается наивысшая эффективность извлечения радионуклидов из воды для всего набора исследованных сорбирующих материалов. Авторы связывают это с особым характером взаимодействий в исследуемой системе. Melt-blown материалы обладают свойством задерживать частицы дисперсной фазы и пропускать дисперсионную среду, имея малое гидродинамическое сопротивление.
Специфическая роль магнитного поля сорбента в данных условиях является предметом дальнейших исследований, хотя уже сейчас можно утверждать о её соответствии основным принципам магнитной фильтрации жидкостей [5].
Специфическая роль электретного заряда предположительно состоит как в стимулировании иммобилизации биоагентов на волокна, так и в обеспечении захвата частиц, находящихся в электрически неравновесном состоянии. Последний эффект обусловлен следующим фактом: радионуклиды, содержащиеся в задерживаемых частицах загрязнений, испускают в окружающее пространство высокоэнергетическое альфа-, бета- и гамма- ионизирующее излучение. Вблизи зон локализации источников такого излучения происходит ионизация вещества (рис. 2), что ведёт к возникновению избыточной электризации материала частицы, содержащей радионуклиды.
При этом возникает практически ценный эффект, а именно: интенсивность электризации вещества вблизи зоны радиораспада может сигнализировать об интенсивности последнего. С другой стороны, накопление радиоактивных электрически активных частиц в объёме волокнисто-пористого материала должно влиять на электретное состояние в полимерных волокнах. В зависимости от знака и величины электретного заряда следует ожидать либо разрядки электрически активных частиц и спада общего заряда в фильтре, либо повышения общего заряда загрязнённого фильтра. Поэтому правомерен вывод о том, что эффективность фильтров, абсорбирующих загрязнённые радионуклидами частицы, можно оценить с помощью электретно-термического анализа (ГОСТ 25209-82. Пластмассы и пленки полимерные. Методы определения поверхностных зарядов электретов). Запись спектров термостимулированных токов образцов такого фильтра, фиксация величины и температурной локализации токовых пиков, а также математическая обработка спектра позволят охарактеризовать изменение электретного состояния в образце. Разница величин заряда в образцах исходного и использованного фильтров будет пропорциональна суммарному количеству радионуклидов.
Предложенный способ извлечения радионуклидов из воды с помощью комбинированного сорбента (полимер + биоагент) разработан на сты-
Рисунок 2. Предполагаемый механизм формирования заряжённого состояния в частице, содержащей радионуклиды: 1 - нестабильный ион, испускающий радиоизлучение; 2 - частица загрязнения; 3 - сформировавшиеся носители заряда произвольного знака
ке научных направлений и демонстрирует перспективность поиска средств реабилитации загрязнённых территорий с привлечением арсенала и методологии смежных наук. Полученные результаты позволяют рекомендовать применение сорбента для очистки и реабилитации водоёмов, которые в результате аварии на ЧАЭС оказались загрязнёнными долгоживущими радионуклидами. С помощью недорогого и несложного в конструктивном исполнении комбинированного сорбента, материал которого химически стоек при любом составе очищаемой воды и технологичен в эксплуатации, можно осуществлять эффективную филь-троадсорбционную очистку поверхности водоёмов. Комбинированный сорбент может быть размещён на поверхности водоёма в любом желаемом виде (полотна, маты, малогабаритные изделия). В дальнейшем целесообразно удаление сорбентов, накопивших загрязнения, для утилизации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильченко Д. Л., Казаков С. В., Тиханов Э. К., Стру-энзе Р. Л. Радиационное состояние водоемов и водотоков 30-километровой зоны ЧАЭС // Доклады Первого Всесоюзного научно-технического совещания по итогам ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС («Чернобыль - 88»). Миграция и состояние радионуклидов в природе. - Т. 5, Часть II. -М.: ИТК «Индекс», 1989. - С. 3-15.
2. Кузьменко М. И., Волкова Е. Н., Кленус В. Г., Новиков Б. И., Паньков И. В., Каглян А. Е., Матвиенко Л. П., Широкая З. О. Радиоактивное загрязнение Днепра и его водохранилищ и некоторые гидроэкологические мероприятия после аварии на Чернобыльской АЭС // Гидробиологический журнал. - 1992. - Т. 28, № 6. - С. 86-94.
3. Гольдаде В. А, Макаревич А. В., Пинчук Л. С., Сика-невич А. В., Чернорубашкин А. И. Полимерные волокнистые melt-blown материалы / под науч. ред. Л. С. Пинчука. - Гомель: ИММС НАНБ, 2000. - 260 с.
4. Кравцов А. Г. Волокнистые фильтры. Монография. -Saarbrücken: LAMBERT Academic Publishing, 2015. - 212 с. (Рус.).
5. Кравцов А. Г. Электрические и магнитные поля в полимерных волокнистых фильтроматериалах для тонкой очистки многофазных сред. Автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.02.01 / Кравцов Александр Геннадьевич. - Гомель, ИММС НАН Беларуси, 2007. - 44 с.
6. Буряк А. К., Аввакумова Н. П. Определение приоритетных экотоксикантов органической и минеральной природы в пелоидах Самарского региона / Сборник научных трудов «Гуминовые вещества в биосфере». - М.: МГУ, 2004. -С. 149-153.
7. Алимов А. Ф. Введение в продукционную гидробиологию. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 152 с.
8. Богданов Н. И. Биологическая реабилитация водоёмов. -3-е изд., доп. и перераб. - Пенза: РИО ПГСХА, 2008. - 126 с.
9. Дударчик В. М, Коврик С. И., Смычник Т. П. Гуминовые препараты торфа для очистки сточных вод от тяжелых металлов // Сборник трудов V Всероссийской научной конференции «Гуминовые вещества в биосфере». - СПб., 2010. - С. 392-396.
10. Аввакумова Н. П. Гуминовые вещества - фактор защиты биосистем от экотоксикантов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2009. - Т. 11, № 1 (2). - С. 197-201.
Материал поступил в редакцию 09 января 2017 года.
Zubareva A., Kravtsov A., Zotov S., Stankevich V.
FILTER-ADSORPTION CLEANING OF THE WATER-BODIES POLLUTED BY LONG-LIVED RADIONUCLIDES
ABSTRACT Purpose. The paper considers the filteradsorption cleaning of water-bodies contaminated with long-lived radionuclides, as well as the issues of closed water-bodies contamination and their cleaning by technical means, the prospects for continuing work in this direction with the use of the apparatus of interdisciplinary sciences are indicated.
Methods. Bio-agents' cultivation and their impregnation into fibrous-porous material, radiochemical and gamma-spectrometric detection of radionuclides, laboratory technology of water filtration with the help of a composite sorbent are applied.
Findings. Analysis of the dynamics of the enclosed water bodies pollution with long-lived radionuclides in the territories affected by the Chernobyl catastrophe testifies that the highest specific activity is observed in the water of Lake Perstok. The accumulation of long-lived radionuclides in the aquatic ecosystems' components is still going on. It has been experimentally established that it is possible to purify contaminated
water efficiently with the combined use of bio-agents in combination with the technical means for filterabsorption cleaning. A composite sorbent based on a polymeric fibrous porous melt-blown carrier provides the given possibility. An idea of the electrets charge specific role has been put forward, which presumably consists of stimulation the bio-agents' immobilization of on the fibers and provision of the capture of the particles being in an electrically non-equilibrium state.
Research application field. The results obtained make it possible to recommend the use of a sorbent for cleaning and rehabilitation of polluted water bodies, which can be placed on the surface of the water body in any desired form (linens, mats, small items).
Conclusions. The effectiveness of using synthetic fibers for this purpose in combination with bio-agents is shown, with each component fulfilling a specific function.
Key words: long-lived radionuclides, bio-agents, technical means of filter-adsorption cleaning.
REFERENCES
1. Vasilchenko D.L., Kazakov S.V., Tikhanov E.K., Struenze R.L. Radiation condition of water bodies and watercourses of the 30km zone of the Chornobyl NPP. Doklady Pervogo Vsesoiuznogo nauch.-tekh. soveshch. po itogam likvidatsii posledstvii avarii na Chernobyl'skoi AES ("Chernobyl' - 88"). Migratsiia i sostoianie radionuklidov v prirode. T. 5, Chast' II [Reports of the First AllUnion Sci. and Tech. Meeting on the results of the liquidation of the consequences of the Chernobyl accident (Chernobyl - 88). Migration and the state of radionuclides in nature. Vol. 5, Part II]. Moscow, ITK "Indeks" Publ., 1989, pp. 3-15. (in Russ.).
2. Kuz'menko M.I., Volkova E.N., Klenus V.G., Novikov B.I., Pan'kov I.V., Kaglian A.E., Matvienko L.P., Shirokaia Z.O. Radioactive contamination of the Dnieper and its reservoirs and some hydroecological measures after the Chernobyl accident. Gidrobiologicheskii zhurnal, 1992, vol. 28, no. 6, pp. 86-94. (in Russ.).
3. Goldade V.A., Makarevich A.V., Pinchuk L.S., Sikanevich A.V., Chernorubashkin A.I. Polimernye voloknistye melt-blown materialy [Polymeric fibrous melt-blown materials. Ed. by L.S. Pinchuk]. Gomel, Institut mekhaniki metallopolimernykh sistem imeni V.A. Belogo, Natsionalnaya Akademiya Nauk Belarusi Publ., 2000. 260 p.
4. Kravtsov A.G. Voloknistye fil'try [Fibrous filters]. Saarbrücken, LAMBERT Academic Publishing, 2015. 212 p. (in Russ.).
5. Kravtsov A.G. Elektricheskie i magnitnye polia v polimernykh voloknistykh fil'tromaterialakh dlia tonkoi ochistki mnogofaznykh sred [Electric and magnetic fields in polymeric fibrous filter materials for fine cleaning of multiphase media. Abstract of the Gr.PhD
in Engin. Sci. diss.]. Gomel, Institut mekhaniki metallopolimernykh sistem imeni V.A. Belogo, Natsional''naia Akademiia Nauk Belarusi Publ., 2007. 44 p.
6. Buriak A.K., Avvakumova N.P. Determination of priority ecotoxicants of organic and mineral nature in the peloids of the Samara region. Sbornik nauch. trudov "Guminovye veshchestva v biosfere" [Collection of sci. works "Humic substances in the biosphere"]. Moscow, Moskovskii gosudarstvennyi universitet Publ., 2004, pp. 149-153. (in Russ.).
7. Alimov A.F. Vvedenie v produktsionnuju gidrobiologiju [Introduction to production hydrobiology]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1989. 152 p.
8. Bogdanov M.I. Biologicheskaja reabilitatsija vodoemov [Biological rehabilitation of reservoirs]. Penza, Redaktsionno-izdatel'skii otdel Penzenskoi gosudarstvennoi sel'skokhoziaistvennoi akademii Publ., 2008. 126 p.
9. Dudarchik V.M., Kovrik S.I., Smychnik T.P. Humic preparations of peat for wastewater treatment from heavy metals. Sbornik trudov V Vserossiiskoi nauchnoi konferentsii «Guminovye veshchestva v biosfere» [Collection of sci. works of the 5th All-Russian sci. conf. "Humic substances in the biosphere"]. St. Petersburg, 2010, pp. 392-396. (in Russ.).
10. Avvakumova N.P. Humic substances - the factor of protection of biosystems from ecotoxicants. Izvestiia Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk, 2009, vol. 11, no. 1 (2), pp. 197-201. (in Russ.).
ALESiA ZUBAREVA Aleksander Kravtsov SERGEi Zotov VictoR Stankevich
Institute of Radiobiology of National Academy of Sciences of Belarus, Gomel, Belarus Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Professor
Gomel Branch of University of Civil Protection of the MES of Belarus, Gomel, Belarus Doctor of Philosophy in Engineering Sciences
Metal-Polymer Research Institute of National Belarus Academy of Sciences, Gomel, Belarus Doctor of Philosophy in Engineering Sciences
Gomel Branch of University of Civil Protection of the MES of Belarus, Gomel, Belarus
