CC BY
16
Науки о Земле
УДК 550.46(470.21): 556.114
DOI: 10.21209/2227-9245-2021-27-5-6-16
ФОРМЫ МИГРАЦИИ НИКЕЛЯ И МЕДИ В УЛЬТРАПРЕСНЫХ ВОДАХ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ КОЛЬСКОГО РЕГИОНА
NICKEL AND COPPER MIGRATION FORMS OF ULTRAFRESH WATERS IN THE KOLA REGION CENTRAL PART
Д. А. Воробьёва,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск [email protected]
D. Vorobeva,
National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk
3. А. Евтюгина,
Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета, г. Апатиты [email protected]
Z. Evtyugina,
Murmansk State Technical University, Apatity Branch, Apatity
Представлены результаты исследования вод, состав которых формируется в различных гидрогеохимических и экологических условиях. Все исследуемые воды ультрапресные: минерализация вод ручьёв и родника не превышает 30 мг/л, воды оз. Имандра в точках опробования - 40 и 73 мг/л. Все воды - кальциевые гидрокарбонатные, однако воды озера имеют повышенные содержания сульфат-иона, хлорид-иона и особенно натрия. Такой состав обусловлен влиянием сточных вод Кольской ГМК. Выявлено, что ручей «7 км» - это разгрузка, в основном, подземных вод; однако, судя по концентрациям тяжёлых металлов и алюминия, латеральный сток почвенных вод аэротехногенно трансформированного ландшафта также принимает участие в формировании состава вод ручья. Для всех исследуемых вод валовые концентрации N и Си почти не изменяются после фильтрации через мембранный фильтр размером пор 0,45 мкм; то есть эти металлы мигрируют в растворённой форме (совокупность коллоидной и истинно растворённой форм). Показано сходство результатов определения миграционных форм N и Си в ультрапресных водах экспериментальным и расчётным методами. Так, согласно оценке соотношения взвешенной, коллоидной и истинно растворённой форм меди и никеля по результатам эксперимента с использованием фильтрации и равновесного диализа, в рассматриваемых водах истинно растворённая форма миграции N и Си является преобладающей. Применение физико-химического моделирования с использованием программного комплекса HydroGeo позволило показать, что никель мигрирует преимущественно в виде иона М2+, а медь - в соединении с органическими лигандами Си(ФК) и Си(ФК2)2-. Кроме того, выявлено, что с увеличением значения рН вод увеличивается доля комплексных соединений и уменьшается количество простых ионов М2+ и Си2+
Ключевые слова: формы миграции; никель; медь; химический состав; природные воды; Кольский регион; озеро Имандра; эксперимент; фильтрация; моделирование
The article presents the waters study results, the composition of which is formed in various hydrogeochemical and ecological conditions. All investigated waters are ultrafresh: TDS of streams and springs does not exceed 30 mg/l, water of Lake Imandra at sampling points is 40 and 73 mg/l. All waters are calcium bicarbonate, but the lake's waters have an increased content of sulfate ion, chloride ion, and especially sodium. This composition is due to the influence of wastewater from the Kola MMC. It is shown that the 7 km stream is mainly groundwater discharge; however, judging by the concentrations of heavy metals and aluminum, the lateral soil water runoff also takes part in the formation of the stream's water composition. For all studied waters, the gross concentrations of Ni and Cu hardly change after filtration through a membrane filter with a pore size of 0.45 |m, that is, these metals migrate in a dissolved form (a combination of colloidal and truly dissolved forms). The similarity of the results of determining the migratory forms of Ni and Cu in ultra-fresh waters by experimental and calculation methods is shown. Therefore, according to the assessment of the ratio of suspended, colloidal and truly dissolved forms of copper and nickel based on the results of an experiment using filtration and equilibrium dialysis,
© Д. А. Воробьёва, З. А. Евтюгина, 2021
6
in the waters under consideration, the truly dissolved form of migration of Ni and Cu is predominant. The application of physicochemical modeling using the HydroGeo software package made it possible to show that nickel migrates mainly in the form of the Ni2+ ion, and copper in combination with the organic ligands Cu(FA) and Cu(FA2)2-. In addition, it was found that with an increase in the pH value of waters, the proportion of complex compounds increases and the amount of simple ions Ni2+ and Cu2+ decreases
Key words: forms of migration; nickel, copper; chemical composition; natural waters; Kola region; Lake Imandra; experiment; filtration; modeling
Б ведение. Химические элементы в природных водах мигрируют во взвешенной, коллоидной и истинно растворённой формах. Миграционные формы химических элементов в природных водах устанавливают расчётными и экспериментальными методами. Расчётными методами, например, устанавливают растворённые формы миграции химических элементов на основе положения о том, что ион-комплексообразователь взаимодействует с лигандом и образует соединение [9]. Среди экспериментальных методов чаще применяются диализ и фильтрация, использование которых позволяет выделить взвешенную, коллоидную и истинно растворённую формы нахождения химических элементов в природных водах. К взвесям относят частицы, имеющие размер 0,45.. .0,5 мкм, частицы меньшего размера - коллоидные и растворённые формы. Границу между ними в большинстве случаев провести трудно, однако M. I. Nystrand, P. Österholm, H. Ren [17; 18] определяют ее как 0,001 мкм.
Процессы миграции элементов и их распределение при взаимодействии воды и пород невозможно правильно интерпретировать и прогнозировать, не зная их миграционных форм в природных водах различного химического состава [8]. Разные миграционные формы одного и того же химического элемента имеют иногда различную степень токсического воздействия, что необходимо учитывать при исследованиях в области охраны окружающей среды [1; 4]. Оценить опасность загрязнения на основе определения только валового содержания невозможно. Ионы тяжёлых металлов, несвязанные в комплексы, являются в большинстве случаев токсичными. Катионные формы, например меди (Cu2+, CuOH+, Cu2(OH)22+), существенно опаснее её нейтральных или анионных форм. В то же время связывание меди в металлор-ганические соединения резко понижает их вредное воздействие. Этот факт является весьма важным при оценке эколого-геохими-
ческого состояния природных вод, особенно в зоне влияния сбросов и выбросов горнодобывающих и горно-перерабатывающих предприятий, как, например, в Кольском регионе (синоним - Мурманская область).
Экспериментальное определение форм миграции химических элементов в почвенных (лизиметрических) водах в Кольском регионе проводила Т. Т. Горбачева (с соавторами) [10]. Физико-химическое моделирование с использованием программного комплекса Селектор для определения миграционных форм химических элементов в некоторых водных объектах региона осуществлено С. И. Мазухи-ной [12]. Представленные в статье результаты определения форм меди и никеля в водах Кольского региона как экспериментальным, так и расчётным методами, получены впервые.
Целью работы является характеристика химического состава и определение миграционных форм никеля и меди в ультрапресных водах экспериментальным и расчётным методами.
Объекты и методы. Опробование природных вод проводилось в июле 2016 г в различных зонах влияния Кольской ГМК (горно-металлургической компании) - бывшего комбината «Североникель» (площадка Мончегорск) (рис. 1).
Первый объект - родник «Горный» («Габ-брский») находится примерно в 4,5 км от комбината. Территория выше выхода подземных вод лишена древесного яруса, напочвенный покров и органогенный горизонт почв смыты дождевыми и талыми водами. Следующим объектом опробования является микроручей (ширина 0,3...0,5 м), названный нами «7 км», не имеющий чётко выраженного русла, поскольку меандрирует среди кочкарника, зарослей ивы и карликовых берёз пушицевого болота. Предполагалось, что ручей отчасти дренирует примыкающий к заболоченной долине ручья разрушающийся лесной ландшафт - техногенное редколесье - еловый сухостой с редкими берёзами.
ф медно-никелевый комбинат О пункты гидрохимического опробования
Рис. 1. Карта-схема пунктов гидрохимического опробования: 1 - родник «Горный» («Габбрский»); 2 - ручей «7 км»; 3 - ручей КМП; 4 - Большая Имандра (станция Хибины); 5 - Экостровская Имандра (КПМ) / Fig. 1. Schematic map of hydrochemical sampling points: 1 - «Gorny» («Gabbrsky») spring; 2 - «7 km» stream; 3 - CMP stream; 4 - Bolshaya Imandra (Khibiny station); 5 - Ecostrovskaya Imandra (CMP)
Третий объект опробования - это воды ручья КМП (комплексного мониторингового полигона), примерно 36...38 км в южном-юго-западном направлении от промплощад-ки Мончегорск. Ручей впадает в Экостров-скую Имандру у гостиничного комплекса «Тиетта». Видимых признаков техногенного воздействия на почвенно-растительный покров не выявлено. В целом, ручей (ширина 1.2 м) формируется в заболоченной депрессии. Приустьевой участок ручья представлен еловым лесом с примесью берёзы.
Из оз. Имандра отобраны две пробы -воды Большой Имандры (у железнодорожной станции Хибины, недалеко от дамбы хвостохранилища АНОФ-2 (апатит-нефелиновой обогатительной фабрики) и Эко-стровской Имандры (у пристани гостиничного комплекса «Тиетта», неподалеку от места опробования ручья КМП).
Пробы воды отбирались в полиэтиленовые бутыли объёмом 0,5 л для определения ионного состава вод и в два флакона по 50 мл для исследования микрокомпонентного состава. Одна из проб отбиралась без фильтрации, вторая фильтровалась в полевых условиях через мембранный фильтр с размером пор 0,45 мкм с использованием шприца. Для экспериментального определения миграционных форм химических элементов для проб, отобранных в 2014 г., в лабораторных условиях проведена процедура равновесного диализа. Для этого диализный мешок с размером пор 0,001 мкм, заполненный деионизированной водой, помещался в предварительно промытый сосуд для диализа. Сосуд заполнялся исследуемой водой и плотно закрывался крышкой. Далее проба выдерживалась в течение 24 ч, после чего проводилось определение химического со-
става внутренней (вода внутри диализного мешка) и внешней (вода вне диализного мешка) среды методом ICP-MS. Проведение таких полевых и лабораторных экспериментов позволило определить соотношение взвешенной (> 0,45 мкм), коллоидной фракций (0,45...0,001 мкм), а также истинно растворённой формы (< 0,001 мкм).
Химический анализ вод осуществлялся в проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии Томского политехнического университета. Для определения макрокомпонентного состава вод использованы следующие методы анализов: титри-метрия, фотоколориметрия, пламенная фотометрия, потенциометрия, турбидиметрия, жидкостная хроматография. Микрокомпонентный состав вод определялся масс-спек-трометрическим методом с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS). Определения Сорг выполняли методом высокотемпературного каталитического окисления соединений углерода до диоксида углерода на анализаторе Liquid TOC компании Elementar с детектором инфракрасного излучения. Химический состав пробы воды ручья «7 км» 1987 г., представленный в табл. 1, определялся по методикам, изложенным в Руководстве по химическому анализу поверхностных вод суши [13]; K, Na, Ca, Mg, Cu, Ni, Fe, Mn, Zn, Al -методом атомно-эмиссионной и атомно-аб-сорбционной спектрометрии1.
Для расчёта растворённых форм миграций применено физико-химическое моделирование с использованием программного комплекса HydroGeo М.Б. Букаты [2]. Для оценки форм миграции Ni и Cu созданы две модели, в которые включены следующие ионы: H+, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Cu2+, Ni2+, Fe3+, Mn3+, Al3+, OH-, Cl-, (SO4)2-, (ФК)2-, (HCO3)-, F-, (NO3)-, H2O0, SiO20. Учитывая исследования Г. М. Вар-шал, Т. К. Велюхановой, И. Я. Кощеевой [3], полагаем, что основная масса органического вещества в ультрапресных водах Кольского региона представлена фульвокислотами (ФК). Содержания ФК рассчитывались из концентраций органического углерода (Сорг) по специальной методике [5, 13].
Для моделирования форм миграции Cu в модель включили 24 ассоциата: (CuHCO3)+, Cu(HTO3)2°, CuCO30, (Cu(CO3)2)2-, (CuNO3)+,
Cu(NO3)2
CuSO40,
(Cu(SO4)2)2-, (CuHSO4)+,
Cu(HSO4)20, (Си(ФК)2)2-, Си(ФК)0, (Cu(Cl)4)2-, (Cu(Cl)3)-, CuCl2, CuCl+, CuF20, CuF+, (Cu(OH)3) CuOH+, (Cu(OH)4)2-, Cu(OH)20, CuOOH-, (CuO2)2- .
Для моделирования форм миграции Ni включили 28 ассоциатов: (NiHCO3)
Ni(HCO3)2
NiCO30,
(Ni(CO3)2)2-, (NiNH3
(Ni(NH3)2)2+, (N^N^U2
(NKNKM2
(Ni(NH3)4)2+, (Ni(NH3)3)2+, (NiNO3)+, Ni(NO3)2
(NiHSOJ+, Ni(HSO4)2
NiSO40,
3 4 3 3
(Ni(SO4)2)
(№(ФК)2)2-, NiФK0, NiCl2, №С1+, NiF+, NiF2, МОН (№(ОН)3)-, Ni(OH)20, (М(ОН)4)2-, (№2ОН)3+ (Ni4(OH)4)4+.
Результаты исследования и их обсуждение. Химический состав ультрапресных вод центральной части Кольского региона и концентрации микрокомпонентов до и после фильтрации через мембранный фильтр 0,45 мкм представлены в табл. 1. Для всех исследуемых вод концентрации N и Си почти не изменяются после фильтрации через мембранный фильтр с размером пор 0,45 мкм, то есть, эти металлы мигрируют в растворённой форме (совокупность коллоидной и истинно растворённой форм). К металлам, содержание которых в водах родника и двух ручьёв почти не изменяется, после фильтрации через мембранный фильтр присоединяется А1, а для ручья «7 км» - Fe, Мп. Концентрации А1, Fe, Мп в водах оз. Имандра после фильтрации значительно изменяются, что свидетельствует о том, что указанные элементы в рассматриваемых водах мигрируют преимущественно во взвешенной форме. Доля взвешенных форм в водах Большой Имандры и Экостровской Имандры составила соответственно: для Fe 76 и 68 %; Мп - 53 и 95 %; А1 -72 и 45 %.
Все рассматриваемые воды ультрапресные, минерализация вод ручьёв и родника не превышает 30 мг/л, а для вод оз. Имандра составляет 40 и 73 мг/л. По катионному составу воды кальциевые, кроме вод оз. Имандра, где в составе преобладает ион натрия. По анионному составу все воды гидрокарбонатные. Однако в водах оз. Имандра отмечаются повышенные содержания сульфат-иона, хлорид-иона и особенно натрия. Такой состав обусловлен влиянием сточных вод Кольской ГМК (площадка Мончегорск), поскольку известно, что ещё в 2013 г ГМК приступила к
1 Евтюгина 3. А., Копылова Ю. Г., Гусева Н. В. О формировании потоков веществ в аэротехногенно трансформирован-
ном лесном ландшафте // Вестник МГТУ. - 2018. - Т. 21, № 2. - С. 185-198.
0
0
2+
0
0
реализации проекта «Утилизация солевого стока никелевого рафинирования», предполагающего прекращение сброса сульфатов и хлоридов натрия, бора в борной кислоте со сточными водами [7]. Концентрация бора в водах озера в июле 2016 г в 25 и 30 раз пре-
Предприятия Кольской ГМК (площадка Мончегорск) снизили выбросы сернистого газа, меди и никеля по сравнению с 1990 г в 5, 3 и 6 раз соответственно [6]. Для выяв-
вышапа содержание в ручьях (ручей «7 км» -0,0010 и ручей КМП - 0,0014 мг/л). Это показывает, что бор в водах оз. Имандра в основном техногенного происхождения, причём поступает не с территории водосбора, а со стоками медно-никелевого комбината.
ления изменения состава природных вод в связи со снижением техногенной нагрузки на трансформированные ландшафты сопоставлены данные опробования вод ручья в июле
Таблица1 / Table 1
Химический состав ультрапресных вод центральной части Кольского региона, мг/л / Chemical composition of ultrafresh waters in the central part of the Kola region, mg/l
Дата отбора / Date of sampling Июль / July 1987 Июль / July 2016
Место отбора / Sampling point Ручей «7 км» / Stream «7 km» Ручей «7 км» / Stream «7 km» Родник «Горный» / Spring «Gornyj» Ручей КМП / Stream CMP Озеро Б. Имандра (ст. Хибины) / B. Imandra lake (Khibiny station) Озеро Э. Имандра (КМП) / E. Imandra lake (CMP)
рН 6,57 6,9 7,1 6,95 7,05 7,1
HCO3 12,2 11,8 11,8 13,2 21 23,7
so/- 16,2 7,3 8,2 3,6 15 19,6
Cl- 3,85 1 0,8 1,3 4 5,4
NO3- 0,55 <0,1** 1,2 <0,1** <0,1** <0,1**
F- н.д. / n.d. 0,003 0,003 0,05 0,29 0,33
Ca2+ 5,92 5,4 5,5 4,8 3 4,5
Mg2+ 1,23 1,1 0,61 0,85 0,61 0,89
Na+ 2,05 1,9 1,5 2,5 12,2 15,4
K+ 0,16 0,07 0,25 0,6 2,3 2,6
Fe* н.д. / n.d. 0,02 / 0,016 0,005 / 0,0005 0,19 / 0,16 0,04 / 0,009 0,03 / 0,009
Mn* 0,005 0,0007 / 0,0002 0,0001 / 0,00003 0,01 / 0,004 0,01 / 0,006 0,01 / 0,0006
Al* н.д. / n.d. 0,017 / 0,0167 0,0035 / 0,003 0,10 / 0,09 0,17 / 0,05 0,03 / 0,02
Ni* 0,054 0,045 / 0,042 0,0037 / 0,0037 0,0043 / 0,004 0,0035 / 0,0032 0,0041 / 0,0037
Cu* 0,016 0,017 / 0,016 0,0003 / 0,0002 0,0041 / 0,0038 0,0024 / 0,0024 0,0030 / 0,0026
Si* 2,18 4,74 / 4,59 4,37 / 4,14 6,38 / 6,22 1,13 / 1,09 0,16 / 0,16
С / С орг ' org 1,87 3,92 1,82 12 3,61 4,04
ФК / Fulvic acid (FA) 4,11 8,62 4,00 26,40 7,94 8,88
* - валовая концентрация / содержание после фильтрации через мембранный фильтр с размером пор 0,45 мкм / gross concentration / content after filtration through a membrane filter with a 0.45 цт pore size; ** - в расчёты (в дальнейшем) на базе программного комплекса HydroGeo принимается половина предела обнаружения соединения; н.д. - нет данных / half of the connection detection limit is taken into calculations (hereinafter) based on the HydroGeo software package; n.d. - no data
1987 и в июле 2016 гг. Сравнение химического состава вод ручья 1987 и 2016 гг. (табл. 1) не позволяет сомневаться, что по сравнению с периодом наибольших объёмов пылегазо-вых выбросов в водах ручья «7 км» произошло снижение содержаний сульфат-иона, хлорид-ионов и калия, увеличилась концентрация кремния. Снижение содержания калия в водах ручья, возможно, связано с разрушением древесного яруса и увеличением площади не покрытой напочвенным покровом, что отмечено визуально одним из авторов статьи, которая проводила исследования в этом районе в 1987-1990 гг. Содержания Си в водах ручья 1987 и 2016 гг. почти совпадают (0,016 и 0,017 мг/л), аналогично - N (0,054 и 0,045 мг/л). Содержания А1, Fe, Мп в этом ручье (опробование в летние периоды 1987-1990 гг.), так же как концентрации N и Си, не изменились (согласно критерию Манна - Уитни различия не достоверны)2. Отсутствие достоверных различий содержаний тяжёлых металлов в ручье в период наибольших объёмов выбросов и при снижении техногенной нагрузки связано с вымыванием этих металлов из почв в периоды интенсивных дождей (неопубликованные данные).
Единовременное (в один день) опробование в июле 2016 г. родниковых и ручьевых вод и последующие химические анализы показывают почти полное совпадение макро-компонентного состава этих вод, за исклю-
чением нитрат-иона и калия. Это позволяет предполагать, что ручей «7 км», в основном, сформирован подземными водами, хотя ранее полагали, что ручей представляет собой сток, в основном, почвенных вод, поскольку абсолютные и относительные концентрации катионов (%-экв) в ручье и в почвенных (лизиметрических) водах подзолистой почвы, отбираемых на уровне почвообразующих пород (почвенный горизонт С) почти совпадали (Са 59 - Мд 21 - Na 17 - NH4 2 - К 1 и Са 55 -Мд 23 - Na15 - К 6 - N^1 соответственно). Соотношение макрокатионов в современных водах ручья сходно с соотношением катионов в период наибольших объёмов выбросов 3.
Судя по концентрациям тяжёлых металлов и алюминия в водах ручья, превышающих содержания этих микрокомпонентов в родниковых водах (А1 - в 4,9 раз, Fe - 3,6, Мп - 7, N - 11 и Си - в 80 раз в 2016 г), латеральный сток почвенных вод также принимает участие в формировании состава вод ручья.
На примере родника «Горный» и ручья «7 км» в табл. 2 показано соотношение взвешенной, коллоидной и истинно растворённой форм меди и никеля в водах по результатам эксперимента с использованием фильтрации и равновесного диализа, а также общее содержание этих элементов, определенное из исходной (валовой) пробы и по сумме трех фракций.
Таблица 2 / Table 2
Распределение форм миграции никеля и меди в воде по результатам эксперимента с использованием фильтрации и равновесного диализа (мг/л) / Distribution of nickel and copper migration forms in water
according to the results of the experiment (mg/l)
Элемент/ Element Формы миграции / Migration forms
Общая концентрация (валовая проба) / Gross (total sample) Общая концентрация (сумма) / Gross (amount) Взвешенная / Weighed Коллоидная / Colloidal Истинно растворённая / Truly dissolved
Родник «Горный» / Spring «Gorny»
Ni 0,00332 0,00498 0,00032 0,00197 0,00269
Cu 0,00016 н.д. / n.d. н.д. / n.d. н.д. / n.d. н.д. / n.d.
Ручей «7 км» / Stream «7 km»
Ni 0,0462 0,0684 0,0030 0,0264 0,0390
Cu 0,0179 0,0176 0,0018 0,0044 0,0114
2 Евтюгина 3. А., Копылова Ю. Г., Гусева Н. В. О формировании потоков веществ в аэротехногенно трансформированном лесном ландшафте // Вестник МГТУ. - 2018. - Т. 21, № 2. - С. 185-198.
3 Там же.
В рассматриваемых водах т растворённая форма миграции
никеля и меди (совокупность
коллоидной и истинно рас- ^
творённой форм) преобладает «
над взвешенной фракцией и со- |
ставляет 94...97 % для № и 90 %
для Си. Доминирующую роль
среди растворённых фракций
играет истинно растворённая .о
форма: 58.60 % для М; 72 %
для Си. Находясь в растворён- 8 .а
ном состоянии, химические р "
о
элементы могут мигрировать в форме простых ионов и ком- ^ 2 плексных соединений, что щ определяет, в том числе, и ток- £ ш сическое воздействие этих эле- 5 ® ментов на экосистему [8]. §2
"5
из
В табл. 3 представлены ос- |
новные формы миграции никеля ¡о 2> и меди в воде (%), рассчитанные с- .с по программе HydroGeo. Пока- и £ зано, что среди рассматрива- ^ о емых соединений никеля (см. ^^ Объекты и методы: ассоциаты, § выбранные для моделирования ® ® форм миграции) преобладаю- § ^ щей формой миграции является ® ^ ионная Ni2+, её доля в исследу- ¡| Ц емых водах достигает 85 моль- | ^ ных % от суммы первого вида ¡5 § ионов в ассоциате - далее %. ^ '■§ Только в водах ручья КМП, где | -2> наблюдается наибольшая (сре- | ^ ди исследуемых вод) концен- щ о. трация органического углерода о (12 мг/л), преобладает органи- ^ "о ческая форма миграции №(ФК) - I ™ 52,1 %. На долю прочих соединений никеля: (№НС03)+, NiCOз, ф с
■5 "+-
NiSO4,(Ni(ФК)2)2-, Ni(HCOз)2 - | о приходится 0,02.5,1 %. о|
В целом, в рассматривае- ^ £ мых водах преобладающими для меди являются соединения с ор- « ганическими лигандами Си(ФК) и Си(ФК2)2-, совокупная доля которых составляет 96,9.99,9 % в водах ручья КПМ. Доля неорганических форм миграции меди (Си2+, СиС03, (СиНС03)+, СиОН+, CuSO4) крайне низкая и составляет не более 2,1 %.
2016, июль/July Озеро Э. Имандра (КМП)/ Е. Imandra lake (CMP) r— s S" 00 00 0 in CM г--m CD m ao 0 0 ao CM со CM 8 о» со о CD 0 со CD CD CM s CD o> 0 0 CD
î.i i1 Ël ta л га i s . T3 « « g.Ш 03 . 8 m CM со со CM o> со со o> o> 0 ao 0 ÉE 0 о CD ao ao со 9 о й о о> S 0 О ao CD CD CD
Q_ il 'g « 0 g tiï CM 1П in со ao in 0 со ao 0 0 a> S о CD ¡п о о со со о о со о о CD S 0 CD CM О О О CD
"V. Л il îi t со CD CM CM CM CT> ao 1П 1П 0 о 0 ю CM 0 CD CD in Г— ю ю о ст> см о ao CM CD CD CD S 0 Ю О О O
ft . 3 e 0 ,o О 1_ V I« S- o-§сл Q_ со со a» со CM in CM со CD CD со о Г--CM 0 CD s? О S * со о> о in О CD со CD CM 0 CD
1987, июль/July .. ft il £ * I g. 2 tin о in 00 CD o> o> CM s CD со CD со о CD 0 со о о in CM со s со см LD LD о CM О S О CD CD
Дата отбора / Date of sampling H ea 0 0.4— il "S ce g M 0 s в + су z j? z в z + 8" z e«: 0 0 z о" со z CM е\ i z СЧ1 es в z es сч 0 0 ^ z CM ¡£ "3" 0 CSI es В "3" О g "5" о В О + см s 0 = о + « О О ni О + ni О О O" со =1 0
Результат сравнения экспериментального (см. табл. 2) и расчётного (см. табл. 3) методов определения форм нахождения в водах N и Си можно назвать рекогносцировочным. Для никеля сходство является приемлемым. Если принять во внимание, что в почти бесцветных водах фульвокислоты находятся в истинно растворённом состоянии [14] (воды родника и ручья «7 км» бесцветные и прозрачные), то результат сравнения экспериментального и расчётного методов определения форм нахождения в водах меди также является приемлемым.
Основные формы миграции элементов зависят не только от свойств самого элемента, но и от внешних факторов миграции (рH-Eh среды, активных концентраций ли-гандов). Кислотно-щелочные условия природных вод оказывают большое значение на миграцию элементов, особенно при наличии соответствующих лигандов. Так, с увеличением содержания рН в водах отмечается увеличение доли комплексных соединений и уменьшение количества простых ионов М2+ и Си2+ (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость основных форм миграций никеля и меди в воде, % от рН/ Fig.2. Dependence of the nickel and copper migration forms in water, % on pH
Заключение. Несмотря на то, что все рассмотренные водные объекты относятся к одному макрорегиону, химический состав вод формируется в различных локальных гидрогеохимических и экологических условиях. Все воды по составу кальциевые гидрокарбонатные, однако воды оз. Имандра имеют повышенные содержания сульфат-иона, хлорид-иона и натрия. Такой состав обусловлен влиянием сточных вод Кольской ГМК. От-
мечается существенное различие микрокомпонентного состава вод. Показано, что ручей «7 км» - это разгрузка, в основном, подземных вод, однако, судя по концентрациям тяжёлых металлов и алюминия, латеральный сток почвенных вод принимает участие в формировании состава вод ручья. Для всех исследуемых вод концентрации N и Си почти не изменяются после фильтрации через мембранный фильтр с размером пор 0,45 мкм, то
есть, эти металлы мигрируют в растворённой форме (совокупность коллоидной и истинно растворённой форм). К металлам, содержание которых в водах родника и двух ручьёв почти не изменяется, после фильтрации через мембранный фильтр присоединяется А1, а для ручья «7 км» - Fe, Мп.
По результатам эксперимента с использованием фильтрации и равновесного диализа, в водах родника и ручья в зоне интенсивного воздействия выбросов Кольской ГМК истинно растворённая форма миграции меди и никеля является преобладающей.
Расчёты растворённых форм миграции никеля и меди показывают, что никель мигрирует преимущественно в виде иона М2+,
а медь в соединении с органическими лиган-дами Си(ФК) и Си(ФК2)2-. При этом, с увеличением рН в водах отмечается увеличение доли комплексных соединений и уменьшение количества простых ионов №2+ и Си2+.
Сравнение результатов экспериментального и расчётного методов определения форм нахождения в водах N и Си можно назвать рекогносцировочным. Для никеля сходство является приемлемым. Поскольку фульвокислоты в бесцветных и прозрачных водах находятся в истинно растворённом состоянии, результат сравнения экспериментального и расчётного методов определения форм нахождения в водах меди также является приемлемым.
Благодарности _
Авторы благодарят канд. геол.-минерал. наук Ю. Г. Копылову, главного инженера проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии ТПУ, д-ра геол.-минерал. наук Н. В. Гусеву, директора Инженерной школы природных ресурсов ТПУ, а также сотрудников проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии ТПУ за помощь в проведении химических анализов и полезные консультации
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-35-90077 (The reported study was funded by the RFBR, project number 19-35-90077)
Список литературы _
1. Будников Г. К. Тяжелые металлы в экологическом мониторинге водных систем // Соросовский образовательный журнал. 1998. №5. С. 23-29.
2. Букаты М. Б. Геоинформационные системы и математическое моделирование. Томск: Изд-во ТПУ, 2002. 75 c.
3. Варшал Г. М., Велюханова Т. К., Кощеева И. Я. Геохимическая роль гумусовых кислот в миграции элементов // Гуминовые вещества в биосфере / отв. ред. Д. С. Орлов. М.: Наука, 1993. С. 97-117.
4. Давыдова О. А., Климов Е. С., Ваганова Е. С., Ваганов А. С. Влияние физико-химических факторов на содержание тяжелых металлов в водных экосистемах / под науч. ред. Е. С. Климова. Ульяновск: УлГТУ, 2014. 167 с.
5. Зарубина Р. Ф., Копылова Ю. Г. Анализ и улучшение качества природных вод: в 2 ч. Ч. 1. Анализ и оценка качества природных вод. Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2007. 168 с.
6. Кольская ГМК. Деятельность в области охраны окружающей среды. URL: https://www.kolagmk.ru/ ecology/aspects (дата обращения: 26.04.2021). Текст: электронный.
7. Кольская ГМК. Развитие производства. URL: https://www.kolagmk.ru/pages/778-razvitie-proizvod-stva.html (дата обращения: 26.04.2021). Текст: электронный.
8. Крайнов С. Р., Рыженко Б. Н., Швец В. М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. Изд. 2-е, доп. / отв. ред. Н. П. Лаверов. М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2012. 672 с.
9. Линник П. Н., Набиванец Б. И. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 273 с.
10. Лукина Н. В., Горбачева Т. Т., Никонов В. В., Стайннес Е. Почвенные воды // Рассеянные элементы в бореальных лесах М.: Наука, 2004. С. 113-150.
11. Лурье Ю. Ю. Унифицированные методы анализа вод. М.: Химия, 1973. 376 с.
12. Мазухина С. И., Максимова В. В., Чудненко К. В., Маслобоев В. А., Сандимиров С. С., Дрого-бужская С. В., Терещенко П. C., Пожиленко В. И., Гудков А. В. Качество вод Арктической зоны Российской Федерации: физикохимическое моделирование формирования вод, формы миграции элементов, влияние на организм человека: монография. Апатиты: Изд-во ФИЦ КНЦ РАН, 2020. 158 с.
13. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши / под ред. А. Д. Семенова. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 541 с.
14. Фомина В. Ф. Состав водного гумуса реки Вычегды в створе водозабора г Сыктывкара // Водоснабжение и санитарная техника. 2011. № 8. С. 42-47.
15. Nystrand M. I., Osterholm P. Metal species in a Boreal river system affected by acid sulfate soils // Applied Geochemistry, 2013, vol. 31, pp. 133-141.
16. Ren H., Liu H., Qu J., Berg M., Qi W., Xu W. The influence of colloids on the geochemical behavior of metals in polluted water using as an example Yongdingxin River, Tianjin, China // Chemosphere. 2010. № 78. P. 360-367.
References _
1. Budnikov G. K. Sorosovskiy obrazovatelny zhurnal (Soros Educational Journal), 1998, Issue 5, pp. 23-29.
2. Bukaty M. B. Geoinformatsionnye sistemy i matematicheskoe modelirovanie (Geoinformation systems and mathematical modeling). Tomsk: TPU Publ., 2002, 75 p.
3. Varshal G. M., Velyukhanova T. K., Koscheeva I. Ya. Guminovye veshhestva vbiosfere (Humic substances in the biosphere). Moscow: Nauka, 1993, pp. 97-117.
4. Davydova O. A, Klimov E. S, Vaganova E. S., Vaganov A. S. Vliyanie fiziko-himicheskih faktorov na soderzhanie tyazhelyh metallov v vodnyh ekosistemah (Influence of physicochemical factors on the content of heavy metals in aquatic ecosystems). Ulyanovsk: UlSTU Publ., 2014, 167 p.
5. Zarubina R. F., Kopylova Yu. G. Analiz i uluchshenie kachestva prirodnyh vod. V2-h chastyah. Chast 1. Analiz i otsenka kachestva prirodnyh vod: Uchebnoe posobie (Analysis and improvement of natural water quality. In 2 parts. Part 1. Analysis and assessment of the quality of natural waters: Textbook.). Tomsk: TPU Publ., 2007, 168 p.
6. Kolskaya GMK. Deyatelnost v oblasti ohrany okruzhayushhey sredy (Kola MMC. Activities in the field of environmental protection) Available at: https://www.kolagmk.ru/ecology/aspects (accessed 26 April 2021)
7. Kolskaya GMK. Razvitie proizvodstva (Kola MMC. Production development). Available at: https://www. kolagmk.ru/pages/778-razvitie-proizvodstva.html (accessed 26 April 2021). Text: electronic.
8. Krainov S. R., Ryzhenko B. N., Shvets V. M. Geohimiya podzemnyh vod. Teoreticheskie, prikladnye i ekologicheskie aspekty (Geochemistry of groundwater. Theoretical, applied and environmental aspects. Second edition, supplemented). Moscow: TsentrLitNefteGaz, 2012, 672 p.
9. Linnik P. N., Nabivanec B. I. Formy migratsii metallov vpresnyh poverhnostnyh vodah (Forms of metal migration in fresh surface waters). Leningrad: Gidrometeoizdat, 1986, 273 p.
10. Lukina N. V., Gorbacheva T.T., Nikonov V. V., Staynnes E. Rasseyannye elementy v borealnyh leash (Scattered elements in boreal forests). Moscow: Nauka, 2004, pp.113-150
11. Lurie Yu. Yu. Unifitsirovannye metody analiza vod (Unified methods of water analysis). Moscow: Chemistry. 1973
12. Mazuhina S. I., Maksimova V. V., Chudnenko K. V., Masloboev V. A., Sandimirov S. S., Drogobuzhskaya S. V., Tereshchenko P. C., Pozhilenko V. I., Gudkov A. V. Kachestvo vodArkticheskoyzonyRossiyskoyFederatsii: fizikohimicheskoe modelirovanie formirovaniya vod, formy migratsii elementov, vliyanie na organizm cheloveka: monografiya (Water quality in the Arctic zone of the Russian Federation: physicochemical modeling of water formation, forms of migration of elements, impact on the human body: monograph) Apatity: FRC KSC RAS Publ., 2020, 158 p.
13. Rukovodstvo po himicheskomu analizu poverhnostnyh vod sushi (Guidelines for the chemical analysis of land surface waters) / ed. A.D. Semenova. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1977, 541 p.
14. Fomina V. F. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tehnika (Water supply and sanitary equipment), 2011, № 8, pp. 42-47.
15. Nystrand M. I., Osterholm P. Applied Geochemistry, 2013, vol. 31, рр. 133-141.
16. Ren H., Liu H., Qu J., Berg M., Qi W., Xu W. Chemosphere, 2010, vol. 78, рр. 360-367.
Информация об авторе _
Воробьёва Дарья Андреевна, инженер-исследователь, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, Россия. Область научных интересов: гидрохимия, миграция химических элементов, биотестирование, геохимия ландшафтов [email protected]
Евтюгина Зинаида Анатольевна, канд. биол. наук, науч. сотрудник, Кольский филиал ФИЦ «Единая геофизическая служба РАН»; доцент, Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета, г. Апатиты, Мурманская обл., Россия. Область научных интересов: промышленная экология, формирование химического состава природных вод при техногенезе [email protected]
Information about the author _
Daria Vorobeva, research engineer, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia. Scientific interests: hy-drochemistry, migration of chemical elements, biotesting, landscape geochemistry
Zinaida Evtyugina, candidate of biological science, researcher, Kola Branch of Geophysical Survey RAS; associate professor, Murmansk State Technical University, Apatity Branch, Apatity, Murmansk region, Russia. Scientific interests: industrial ecology, the natural waters chemical composition formation of during technogenesis
Для цитирования_
Воробьёва Д. А., Евтюгина З. А. Формы миграции никеля и меди в ультрапресных водах центральной части Кольского региона // Вестник Забайкальского государственного университета. 2021. Т. 27, № 5. С. 6-16. DOI: 10.21209/22279245-2021-27-5-6-16.
Vorobeva D., Evtyugina Z. Nickel and copper migration forms of ultrafresh waters in the Kola region central part // Transbaikal State University Journal, 2021, vol. 27, no. 5, pp. 6-16. DOI: 10.21209/2227-9245-2021-27-5-6-16.
Статья поступила в редакцию: 24.05.2021 г. Статья принята к публикации: 07.06.2021 г.
