Геоэкозащитные свойства веществ на основе некоторых строительных строительства и городского материалов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 502

ГЕОЭКОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ НА ОСНОВЕ НЕКОТОРЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

DOI: 10.24411/1816-1863-2019-13077

А. Б. Бобровник, аспирант,

М. В. Шершнева, д. т. н., проф.,

Н. А. Бабак, д. т. н., проф.,

Н. А. Шредник, аспирант,

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I (ФГБОУ ВО ПГУПС)

В статье рассмотрены геоэкозащитные свойства магнезиального камня по отношению к ионам тяжелых металлов, обеспечивающие очистку до уровня ПДК. Основная идея работы состоит в том, что защита от ионов тяжелых м еталлов возможна при использовании м агнезиального камня путем самопроизвольного образования труднорастворимых соединений, являющихся аналогами природных минералов. При этом рассматривалась возможность добавки в магнезиальный камень модификаторов, приводящей к образованию соединений с более низкими произведениями растворимости. Приведен анализ произведений растворимости для возможных продуктов взаимодействия магнезиального камня (в том числе модифицированного) с растворами, содержащими ионы тяжелых металлов. Приведены результаты по исследованию геоэкозащитных емкостей магнезиального камня (для базовой и модифицированной версий) по отношению к ионам свинца, марганца, кобальта, железа, кадмия и меди, а также приведены результаты по определению максимальной дозы м одификатора в м агнезиальном камне на примере взаимодействия с ионами свинца (в зависимости от дозы модификатора). Приведен перечень ИТМ-содержащих природных минералов.

The article deals with magnesia stone, which has geo-ecoprotective properties against the ions of heavy metals, cleaning to the level of TLV (threshold limit value). The basic idea of the article is that protection from the ions of heavy metals is possible with the use of magnesia stone as a result of self-existing formation of sparingly soluble compounds, which are analogues of natural minerals. At the same time, the possibility of adding modifiers to magnesia stone was considered which is leading to the formation of compounds with lower solubility products.

The analysis of solubility products for possible interaction products of magnesia stone (including a modified one) with solutions containing heavy metal ions has been shown in the article. The research results of magnesia stone’s geo-ecoprotective capacity (for basic and modified versions) against the ions of lead, manganese, cobalt, iron, cadmium and copper and the results of determining the maximum modifier dose in magnesia stone in the case study of interaction with lead ions (depending on the modifier dose) has also been shown in the article. A list of natural minerals that contain heavy metal ions is given.

Ключевые слова: ионы тяжелых металлов, магнезиальный камень, геоэкозащитные свойства, геоэкозащитная емкость, модификация, природные минералы.

Keywords: heavy metal ions, magnesia stone, geo-ecoprotective properties, geo-ecoprotective capacity, modification, natural minerals.

Введение. Проблема загрязнения почти всех составляющих элементов биосферы тяжелыми металлами широко известна и актуальна. Активная деятельность многих отраслей промышленности приводит к негативному воздействию ионов тяжелых металлов на окружающую среду. Среди них можно выделить предприятия теплоэнергетики, пирогенные технологические процессы металлургии и производства цемента, применение удобрений на основе шлама очистных сооружений промышленных сточных вод и т.п. В выбросах в атмосферу тяжелые металлы находятся в основном в нерастворимой форме, однако при осаждении наиболее крупных частиц доля растворимых соединений метал-

лов в грунтовой и почвенной влаге, а также в поверхностных стоках увеличивается. Поэтому необходимы технологические решения по обезвреживанию ионов тяжелых металлов, которые могут быть основаны на применении веществ, способных к поглощению ионов тяжелых металлов [1-8].

Целью работы является исследование геоэкозащитных свойств магнезиального камня, который является продуктом твердения магнезиальный вяжущих и входит в состав м атериалов и изделий на их основе (стекломагнезит, ксилолит, фибролит, штукатурные растворы).

Модели и методы. Основная идея состоит в том, что защита от ионов тяжелых

77

Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

78

Таблица 1

Произведение растворимости возможных продуктов взаимодействия ИТМ и магнезиального камня

Возможный продукт взаимодействия магнезиального камня и ИТМ ПР

PbSO4 1,6-10-8

PbI2 1,1M0-9

PbCO3 T о

MnCO3 1,8-10-11

CoCO3 О T о CD

FeCO3 3,5-10-11

CdCO3 1-10-12

CuCO3 2,5-10-1°

PbS 2,5-10-27

MnS 2,5-10-1°

CoS 4 M0-21

FeS 5 -10-18

CdS 1,6M0-28

CuS 6,3M0-36

металлов возможна при использовании магнезиального камня путем самопроизвольного образования труднорастворимых соединений. При этом рассматривалась возможность добавки в магнезиальный камень модификаторов, приводящих к образованию соединений с более низкими произведениями растворимости (ПР).

Для оценки возможности образования труднорастворимых соединений и самопроизвольного протекания процессов взаимодействия ИТМ с магнезиальным камнем был проведен анализ ПР для возможных продуктов взаимодействия магнезиального камня с растворами, содержащими ионы тяжелых металлов, при этом в качестве модификатора использовались йодид калия, карбонат натрия и сульфид натрия (табл. 1).

Результаты и обсуждение. Результаты по исследованию геоэкозащитных емкостей магнезиального камня, которые пока-

Геоэкозащитная емкость магнезиального камня

Таблица 2

Материал Геоэкозащитная емкость, мг/г (мг/см2)

Pb2+ Mn2+ О о ы + Fe2+ Cd2+ Cu2+

Магнезиальный камень 6,0 (2,4) — — — — —

Магнезиальный камень, модифи- 27,4 — — — — —

цированный йодидом калия (11,0)

Магнезиальный камень, модифи- 27,4 13,1 12,5 16,3 15,1 14,2

цированный карбонатом натрия (11,0) (5,2) (5,1) (2,5) (6,1) (5,7)

Магнезиальный камень, модифи- 27,9 14,7 13,5 17,2 15,8 14,9

цированный сульфидом натрия (11,2) (5,9) (5,4) (6,9) (6,32) (6,0)

Таблица 3

Геоэкозащитная емкость магнезиального камня в зависимости от дозы модификатора

Способ модификации При изготовлении изделий При насыщении изделий

Модификатор Доза модификатора, % от массы изделия Геоэкозащитная емкость, мг/г Концентрация модификатора, моль/л Геоэкозащитная емкость, мг/г

Йодид калия 1 23,4 0,1 23,3

5 25,0 0,5 25,2

10 26,0 1 26,2

15 27,3 2 27,4

Карбонат натрия 1 23,6 0,1 23,4

5 25,2 0,5 25,4

10 26,2 1 26,3

15 27,5 2 27,4

Сульфид натрия 1 25,4 0,1 25,3

5 26,8 0,5 26,6

10 27,5 1 27,3

15 27,9 2 27,9

Таблица 4

ИТМ-содержащие природные минералы

Возможный продукт взаимодействия магнезиального камня и ИТМ Название природного минерала

PbSO4 Англезит

CoSO4 Биберит

FeSO4 Мелантерит

CUSO4 Халькоцианит (халькокианит)

PbCO3 Церуссит

MnCO3 Родохрозит (марганцевый шпат, малиновый шпат)

CoCO3 Сферокобальтит

FeCO3 Сидерит

CdCO3 Отавит

CuCO3 Малахит (возможно в виде CU2(CO3)(OH)2)

PbS Галенит

MnS Алабандин

CoS Джайпурит

FeS2 Пирит (серный колчедан, железный колчедан)

CdS Гринокит

CuS Ковеллин (или ковеллит) (возможно в виде CU2S — халькозин)

зывают, сколько мг ИТМ может поглотить 1 г (1 см2) магнезиального камня, представлены в табл. 2.

Модификация образов осуществлялась при изготовлении или путем пропитки

готового изделия соответствующими растворами в течение 48 часов. В табл. 3 представлены результаты по определению максимальной дозы модификатора в магнезиальном камне на примере взаимодействия с ионами свинца.

По данным табл. 3 видно, что чем выше доза модифицирующего вещества в магнезиальном камне (или концентрация раствора для пропитки образца), тем выше геоэкозащитная емкость магнезиального камня.

Следует отметить, что использование модифицированного магнезиального камня для защиты от ионов тяжелых металлов приводит к образованию минералов, аналогичных природным минералам (табл. 4).

Выводы. Таким образом, модифицированный магнезиальный камень можно использовать в технологических решениях для подготовки строительного участка к строительству (гражданскому, промышленному, транспортному и другим видам строительства), а также при осуществлении хозяйственной деятельности, например при рекультивации полигонов твердых бытовых отходов [9—11]. Результатом его использования является обезвреживание ионов тяжелых металлов путем перевода их в труднорастворимые соединения, аналогичные природным.

Библиографический список

1. Сватовская Л. Б., Шершнева М. В., Русанова Е. В., Савельева М. Ю. Геоэкозащитные свойства технологических решений в транспортном строительстве от воздействия органических загрязнений // Естественные и технические науки. — 2015. — № 11 (89). — С. 304—306.

2. Шершнева М. В. Научные основы технологий утилизации силикатсодержащих отходов / дисс. на соискание степени д. т. н. / СПб.: 2009. — 304 с.

3. Сватовская Л. Б., Шершнева М. В., Латутова М. Н., Сычева А. М., Кондрашов А. А., Савельева М. Ю. Инженерно-химические основы геозащиты природно-техногенных систем // Транспортное строительство. — 2012. — № 12. — С. 20—21.

4. Сычева А. М., Хитров А. В., Шершнева М. В., Русанова Е. В. Золопенобетон с использованием золы осадка сточных вод // Цемент и его применение. — 2006. — № 3. — С. 64.

5. Сватовская Л. Б., Якимова Н. И., Шершнева М. В., Байдарашвили М. М. Применение индикаторного метода — новое перспективное направление для выбора компонентов экозащитных систем для транспорта // Наука и техника транспорта. — 2004. — № 2. — С. 12—17.

6. Шершнева М. В. Фундаментальная природа гидратсодержащих твердых фаз в развитии детокси-кационных технологий / Инновационные технологиии в строительстве и геоэкологии. Материалы I Международной научно-практической конференции. — 2014. — С. 15—17.

7. Сватовская Л. Б., Соловьева В. Я., Шершнева М. В., Абу-Хасан М. С., Масленникова Л. Л., Байдарашвили М. М. Инновационные естественно-научные технические решения в строительной деятельности // Перспективы будущего в образовательном процесс. Сборник тезисов национальной научно-технической конференции. — 2017. — С. 108—109.

8. Сватовская Л. Б., Шершнева М. В., Байдарашвили М. М. и др. Геоэкозащитные свойства строительных систем на основе минеральных вяжущих / СПб.: ПГУПС, 2016.

9. Дробышев Д. И., Филатов И. П., Хитров А. В., Шершнева М. В. и др. Инженерно-химические основы получения резательных пеноавтоклавных изделий и их геозащитные свойства / СПб.: ПГУПС, 2009.

Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

80

10. Сватовская Л. Б., Шершнева М. В., Байдарашвили М. М. Эко- и геоэкозащита природно-техногенных систем. Теория и практика. / СПб.: ПГУПС, 2016.

11. Масленникова Л. Л., Шершнева М. В., Бабак Н. А., Бухарина Д. Н. Технология утилизации осадка природных вод // Экология урбанизированных территорий. — 2008. — № 3. — С. 82—85.

GEO-ECOPROTECTIVE PROPERTIES OF SUBSTANCES BASED ON SOME BUILDING MATERIALS

M. V. Shershneva, Doctor of Technical Sciences, Professor;

N. A. Babak, Doctor of Technical Sciences, Professor;

A. B. Bobrovnik, postgraduate;

N. A. Shrednik, postgraduate.

Petersburg State Transport University, Department “Engineering chemistry and science” References

1. Svatovskaya L. B., Shershneva M. V., Rusanova E. V., Savel'eva M. U. Geoe'kozashhitny'e svojstva tekhnologicheskikh reshenij v transportnom stroitel'stve ot vozdejstviya organicheskikh zagryaznenij. [Geo-ecoprotective properties of technological solutions in transport construction against the effects of organic pollution]. Estestvenny'e i tekhnicheskie nauki. [Natural and Technical Sciences]. 2015. No. 11 (89). P. 304—306 [in Russian]

2. Shershneva M. V. Nauchnye osnovy tekhnologij utilizaczii silikatsoderzhashhikh otkhodov [Scientific fundamentals of technologies for the utilization of silicate-containing waste] Diss. na soiskanie stepeni d. t. n. [Thesis for Dr. Habil.]. SPb., 2009. 304 p. [in Russian]

3. Svatovskaya L. B., Shershneva M. V., Latutova M. N., Sycheva A. M., Kondrashov A. A., Savel'eva M. U. Inzhenerno-khimicheskie osnovy' geozashhity' prirodno-tekhnogenny'kh system. [Engineering and chemical fundamentals of natural and man-made systems’ geoprotection]. Transportnoe stroitel'stvo. [Transport construction]. 2012. No. 12. P. 20—21 [in Russian]

4. Sycheva A. M., Khitrov A. V., Shershneva M. V., Rusanova E. V. Zolopenobeton s ispol'zovaniem zoly' osadka stochny'kh vod. [The usage of ash sewage sludge for ash foam concrete]. Czement i egoprimenenie. [Cement and its application]. 2006. No. 3. P. 64 [in Russian]

5. Svatovskaya L. B., Yakimova N. I., Shershneva M. V., Bajdarashvili M. M. Primenenie indikatornogo metoda — novoe perspektivnoe napravlenie dlya vy'bora komponentov e'kozashhitny'kh sistem dlya transporta. [The usage of the indicator method — a new promising trend for the selection of environmental protection systems’ components for transport]. Nauka i tekhnika transporta. [Science and technology of transport]. 2004. No. 2. P. 12—17 [in Russian]

6. Shershneva M. V. Fundamental'naya priroda gidratsoderzhashhikh tverdy'kh faz v razvitii detoksikaczi-onny'kh tekhnologij. [The fundamental nature of the hydrate-containing main phases of the detoxification technologies’ development]. Innovaczionny'e tekhnologiii v stroitel'stve igeoe'kologii. Materialy'IMezh-dunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferenczii. [Innovative technologies in construction and geoecology. Proceedings of the I International Scientific and Practical Conference]. 2014. P. 15—17 [in Russian]

7. Svatovskaya L. B., Solov'eva V. Y., Shershneva M. V., Abu-Khasan M. S., Maslennikova L. L., Baid-arashvili M. M. Innovaczionny'e estestvenno-nauchny'e tekhnicheskie resheniya v stroitel'noj deyat-el'nosti. [Innovative scientific technical solutions in construction activities]. Perspektivy' budushhego v obrazovatel'nom proczess. Sbornik tezisov naczional'noj nauchno-tekhnicheskoj konferenczii. [Future perspectives in the educational process. Collection of abstracts of the national scientific and technical conference]. 2017. P. 108—109 [in Russian]

8. Svatovskaya L. B., Shershneva M. V., Baidarashvili M. M., et al. Geoe'kozashhitny'e svojstva stroi-tel'ny'kh sistem na osnove mineral'ny'kh vyazhushhikh. [Geoecoprotective properties of building systems based on mineral binders]. SPb., PGUPS, 2016 [in Russian]

9. Drobyshev D. I., Filatov I. P., Khitrov A. V., Shershneva M. V. et al. Inzhenerno-khimicheskie osnovy' polucheniya rezatel'ny'kh penoavtoklavny'kh izdelij i ikh geozashhitny'e svojstva. [Engineering and chemical fundamentals of obtaining cutting foam-autoclaved products and their geoprotective properties]. SPb., PGUPS, 2009 [in Russian]

10. Svatovskaya L. B., Shershneva M. V., Baidarashvili M. M. E'ko- i geoe'kozashhita prirodno-tekhnogenny'kh sistem. Teoriya i praktika. [Eco- and geoecoprotection of natural and man-made systems. Theory and practice]. SPb., PGUPS, 2016 [in Russian]

11. Maslennikova L. L., Shershneva M. V., Babak N. A., Bukharina D. N. Tekhnologiya utilizaczii osadka prirodny'kh vod. [The technology of sewage sludge utilization]. E'kologiya urbanizirovanny'kh territorij. [Ecology of urban areas]. 2008. No. 3. P. 82—85 [in Russian]