CC BY
11
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE. 2019. No. 4
УДК 556, 627.8, 550.8.053 DOI 10.23683/0321-3005-2019-4-91-97
ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПЕДАНСА СУЛЬФАТНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
© 2019 г. Т.Н. Нурмагомедов1, К.П. Латышенко1, Э.С. Сианисян2
1 Академия гражданской защиты МЧС России, Химки, Россия, 2Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия
INVESTIGATION OF SULPHATE GROUNDWATER IMPEDANCE BY ELECTROCHEMICAL SPECTROSCOPY
T.N. Nurmagomedov1, K.P. Latyshenko1, E.S. Sianisyan2
1Academy of Civil Defence EMERCOM of Russia, Khimki, Russia, 2Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia
Нурмагомедов Тимур Низамудинович - преподаватель, кафедра механики и инженерной графики, Академия гражданской защиты МЧС России, мкр. Новогорск, 1, г. Химки, 141435, Россия, e-mail: nurmagomedov.timur@mail.ru
Латышенко Константин Павлович - доктор технических наук, профессор, кафедра механики и инженерной графики, Академия гражданской защиты МЧС России, мкр. Ново-горск, 1, г. Химки, 141435, Россия, e-mail: kplat@mail.ru
Timur N. Nurmagomedov - Lecturer, Department of Mechanics and Engineering Graphics, Academy of Civil Defence EMERCOM of Russia, Novogorsk, 1, Khimki, 141435, Russia, e-mail: nurmagomedov. timur@mail. ru
Konstantin P. Latyshenko - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Mechanics and Engineering Graphics, Academy of Civil Defence EMERCOM of Russia, Novogorsk, 1, Khimki, 141435, Russia, e-mail: kplat@mail.ru
Сианисян Эдуард Саркисович - доктор геолого-минералогических наук, профессор, кафедра геологии нефти и газа, Институт наук о Земле, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: edward@sfedu.ru
Eduard S. Sianisyan - Doctor of Geology and Mineralogy, Professor, Department of Oil and Gas Geology, Institute of Earth Sciences, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: edward@sfedu.ru
Исследованы электрофизические свойства сульфатных подземных вод методом электрохимической спектроскопии в целях обоснования оптимальных параметров технических средств контроля за растворением и выносом солей фильтрационными водами.
Быстроменяющиеся гидродинамические и гидрогеохимические условия невозможно оценить в режиме реального времени существующими методами, техническими средствами и системами мониторинга. В связи с этим авторами был предложен новый способ контроля за фильтрацией подземных вод, основанный на кондуктометрическом методе.
Для реализации предложенного способа контроля за подземными водами необходимо разработать комплекс технических средств и информационно -измерительных систем мониторинга, обосновать их оптимальные параметры. В связи с этим разработана методика проведения эксперимента, в которой выделена связь импеданса раствора с ее общей минерализацией. Выполнены эксперименты по определению полного, активного и реактивного сопротивлений образцовых растворов, а также тангенса угла диэлектрических потерь в заданном диапазоне входных частот. Определены зависимости между электрофизическими параметрами сульфатных вод и их общим со-лесодержанием. Получены диаграммы Найквиста и Боде для образцовых растворов с различным содержанием CaSO4. Определены оптимальные параметры технического средства контроля за фильтрацией подземных вод с повышенным содержанием сульфатов. Показаны перспективы применения электрохимической спектроскопии в развитии гидрогеологии, в том числе автоматизации процессов мониторинга размыва оснований зданий и сооружений, утечки химически опасных веществ из хвостохранилищ, предупреждения карстовых и суффозионных процессов, предупреждения землетрясений.
Ключевые слова: фильтрация, импеданс, электрохимическая спектроскопия, основание, сульфаты, растворение, техническое средство.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2019. No. 4
The article is devoted to the study of electrophysical properties of sulphate groundwater by electrochemical spectroscopy in order to justify the optimal parameters of technical means of control over the dissolution and removal of salts by filtration waters.
Rapidly changing hydrodynamic and hydrogeochemical conditions cannot be assessed in real time by existing methods, technical means and monitoring systems. In this regard, the authors proposed a new method of monitoring groundwater filtration, based on the conductometric method of control.
To implement the proposed method of groundwater control, it is necessary to develop a set of technical means and information-measuring monitoring systems, to justify their optimal parameters. In this regard, the method of the experiment, which highlighted the connection of the impedance of the solution with its total mineralization. Experiments were performed to determine the total, active and reactive resistances of sample solutions, as well as the tangent of the dielectric loss angle in a given range of input frequencies. The dependences between the electrophysical parameters of sulphate waters and their total salinity are determined. Nyquist and Bode diagrams were obtained for sample solutions with different CaSO4 content. The optimal parameters of the technical means of control over the filtration of groundwater with a high content of sulfates were determined. Prospects of application of electrochemical spectroscopy in development of hydrogeology, including-automation ofprocesses of monitoring of erosion of bases of buildings and constructions, leakage of chemically dangerous substances from tailing dumps, the prevention of development of karst and suffusion processes, the prevention of earthquakes are shown.
Keywords: filtration, impedance, electrochemical spectroscopy, base, sulfates, dissolution, technical means.
Введение
Одной из проблем гидрогеологии на современном этапе является совершенствование систем мониторинга за динамикой и режимом подземных вод [1]. Недостаточная изученность вопросов антропогенного влияния на подземную гидросферу приводит к развитию различных чрезвычайных ситуаций - размыву оснований зданий и сооружений, развитию карста, химическому (радиоактивному, бактериологическому) загрязнению, осушению или обводнению территорий и др.
Быстроменяющиеся гидродинамические и гидрогеохимические условия невозможно оценить в режиме реального времени существующими методами, техническими средствами и системами мониторинга. В связи с этим авторами был предложен новый способ контроля за фильтрацией подземных вод [2]. Для его реализации необходимо разработать комплекс технических средств и информационно-измерительных систем мониторинга [3, 4].
Методика проведения эксперимента
В целях определения оптимального диапазона входных частот технического средства контроля за фильтрационными процессами в породах была разработана методика эксперимента и проведены исследования импеданса (полного сопротивления) на примере сульфатных подземных вод методом электрохимической спектроскопии.
Общая формула определения импеданса выглядит следующим образом:
г = ^я2 + х2 = VR2 + (хь - хс)2 ,
где Z - импеданс (полное сопротивление); R - активное сопротивление; X - реактивное сопротивление; Хь - реактивное сопротивление индуктивности; Хс - реактивное сопротивление емкости [5].
В рамках эксперимента импеданс Z раствора был представлен как 2 = F (Собщ; f; Г) при ограничениях:
2. /£ (Л;/2).
3. Те (0,1; 30) ,
где Собщ - общее солесодержание раствора, г/л; Ст1п и Стах - соответственно минимальное (ультрапресное) и максимальное (насыщенное) значения солесодержания раствора; Д и f2 - минимальное и максимальное значения диапазона входных частот, Гц; ^ диапазон температуры подземных вод, °С.
Входные и выходные параметры системы измерения импеданса образцовых растворов схематически представлены на рис. 1.
Рис. 1. Эмпирическая модель эксперимента / Fig. 1. Empirical model of the experiment
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2019. No. 4
Характеристики входных параметров эксперимента обосновываются свойствами раствора, техническими возможностями используемых приборов и параметрами рабочей среды в лаборатории (табл. 1).
Таблица 1
Значения входных параметров эксперимента / Values of experiment input parameters
Параметр Диапазон
Концентрация CaSO4, г/ л 0,01-7,00
Частота тока, Гц 100-50000
Температура, °C 20
Описание лабораторной установки
Исследование импеданса образцовых сульфатных растворов было выполнено в лаборатории электрокатализа Института физической химии им. А.Н. Фрумкина РАН (г. Москва). Лабораторная установка состоит из потенциостата Solartron SI 1287, двухэлектродного датчика сопротивлением 10 кОм и компьютера со специальным программным обеспечением для обработки полученных данных. Схема лабораторной установки и ее основные элементы приведены на рис. 2.
Двух-электродный датчик
Раствор CaSO„
Потенциостат Solartron SI 1287
ПК
г,is
УНМт ГвА Нф
iäBÖ S BGS 0 В а И. V. jJ ^ Я 'ч ink. ~ -j |i— —Г.«1Н1УП гты^п si ____________ S^t.0 "М -'г :'л
FlUMncjifHitlJilJ I Fi«xr<j.|H:l IM 13
1(11X10 11И0
......^TyrCTT^T^irnr^T! "Т.....-I"-'—"—"
в / с
■'ТТЛ ii'Jtfli ИтТТИ
■afeai
Рис. 2. Схема (слева) и основные элементы (справа) лабораторной установки: а - потенциостат Solartron SI 1287; б - двухэлектродный датчик, погруженный в раствор; в - ПК со специальным ПО для интерпретации и обработки полученных данных / Fig. 2. The scheme (left) and the main elements (right) of the laboratory installation: a - potentiostat Solartron SI 1287; b - two-electrode sensor immersed in solution; с - PC with special software
for the interpretation and processing of the data
Подготовка растворов
Результаты эксперимента
В качестве растворителя использовалась вода гидрокарбонатная кальциево-натриевая с общей минерализацией 0,1-0,3 г/л. Химический состав воды приведен в табл. 2.
Образцовые растворы были подготовлены в соответствии с ГОСТ 4517-2016. Характеристика образцовых растворов приведена в табл. 3.
В результате измерений были получены годографы импеданса растворов в диапазоне частот 100-50000 Гц при заданных концентрациях CaSO4, в том числе диаграммы Найквиста (1т(^) от Re(z)), диаграммы Боде (модуль (|Щ от Freq) и угол сдвига фаз (0 от Freq)). Пример полученных данных приведен на рис. 3.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2019. No. 4
Таблица 2
Химический состав воды, использованной для подготовки растворов / Chemical composition of water used for solution preparation
Показатель Значение показателя Метод испытаний
Кальций, мг/л 22,0 ГОСТ 23268.5-78
Магний, мг/л 1,2 ГОСТ 23268.5-78
Натрий + калий, мг/л 18,9 ГОСТ 23268.5-78
Нитраты, мг/л 2,2 ПНДФ 14.1:2.4-95
Нитриты, мг/л < 0,05 МУК 4.1.065-96
Гидрокарбонаты, мг/л 83,0 ПНДФ 14.1:2.99-97
Сульфаты, мг/л 6,6 ГОСТ 4389-72
Хлориды, мг/л 16,9 ПНДФ 14.1:2.96-97
Фториды, мг/л 0,24 МУК 4.1.067-96
Сульфиды, мг/л < 0,001 МУК 4.1.066-96
Жесткость общая, ммоль/л 1,17 ГОСТ Р 52407-2005
Кислотно-щелочной баланс, рН, ед. 7,1 РД 52.24.495-97
Общая минерализация, мг/л 150,8 ГОСТ Р 51211-98
in гжтИШш» rämfflfcf гагсЯ ¡¡яйК™ Ш1 иичт^ î.iiffl^
н trru ■ ' fJLl J JLkY* ] 1t?« |ТГГМ 1
1 SÖ&OO 10*0* -¿le« 3 l-.iiîi gj-ipr.rmrt штш Ii t E In
î UlH -tlll.l 1ÛU -iï.ttT D O.Ol Bf S 0
> iifJ7,)î 1ÎT1E ■t)CM 1Ш1 ■ n.Ki le 7 f 0
j_ •»Ц 1M*« -10.Ml 5 D.Ö1 11.« i 0
S 1**1?,41 -ilï* » 1МП ->,Î01* 0 □ -öl .!«■«
IV ЯП, llï tJM) -14«. Q 1И11 -S. 991 0 0.O1 14. IT Г— —J®—
7 111» -Ш1.1 nf» -*.IÏ1J D 0.01 UJ E fi
» (OOP -П*. H ■1.Ш 0 0. Ol n.ft f 0
» -W.tt 1]|T| •l.NH о D.Ol 1 Li
15 1WJT -44j,« ill« « 0,01 îl, t
II leei.1»*? 4U,H l)i>l -l.VlW D O.Ol ZI,M P—
H_ IMljjlÉ UIU -m. r* IHM -О.ЖМ D 0.01 ll.T f 0
13 ÎÏÏ.MSJ m» -lit» »î um •0.4MtL ( O.Ol li.ii С 0
14 in? •17t.» ij«a 0 QrQl ».3 I 0
If ÎO& not* )t10i» not* O.DI»TI p O.Ol É fl
1С Ш.Н11 tHR It.lK 1Ш1 » DMHl D O.Ol IX. t t 0
UUl 41.IU Ш1! 'А.ША1 le 0.O1 Л . 9t S 0
m 1ÏÎ.37*? uu* -11J.« UH1 O.Ol S 0
и IJi.l^i nnt 0>«L 1Ï-0Î С 0
г / d
Рис. 3. Годограф импеданса насыщенного сульфатами раствора: а - диаграмма Найквиста (Im(z) от Re(z)); б - диаграмма Боде (|Z| от Freq); в - диаграмма Боде (0 от Freq); г - массив данных опыта / Fig. 3. The hodograph of the impedance of a saturated sulfate solution: a - Nyquist diagram (Im (z) from Re (z)); b - Bode diagram (|Z| from Freq); c - Bode diagram (0 from Freq); d - array of experience data
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2019. No. 4
Таблица 3
Характеристика образцовых растворов / Characteristics of sample solutions
Концентрация CaSO4, % от макс. насыщ. Концентрация CaSO4, г/л Условное обозначение
0 0,01 С ■
15 1,10 С15%
30 2,20 ^30%
50 3,50 ^50%
100 7,00 с
Обсуждение результатов
В результате обработки экспериментальных данных были получены зависимости:
% = р (собщ;/);
я = р (Собщ.;/);
Х = р (Собщ;/);
tg е = £ = *- (Собщ;/) при Т = 20 °с и С0бщ = {Ст;п; СХ5%; Сз0%; С50%; Стах).
Графическая интерпретация полученных зависимостей приведена на рис 4-7.
15000,00
14000,00
13000,00
12000,00
без гипса 15 проц 30 проц 50 проц насыщ
11000,00
10000,00
0,00
10000,00
20000,00
30000,00
40000,00
50000,00 Частота f, Гц
Рис. 4. Зависимость импеданса раствора Z от частоты тока f / Fig. 4. Dependence impedance of solution Z on the frequency of the current f
15000,00
s о
aï 14000,00
° 13000,00
12000,00
11000,00
10000,00
0,00
без гипса 15 проц 30 проц 50 проц насыщ
10000,00
20000,00
30000,00
40000,00
50000,00 Частота f, Гц
Рис. 5. Зависимость активного сопротивления раствора R от частоты токаf / Fig. 5. The dependence of the active resistance of the solution R on the frequency of the current f
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2019. No. 4
О
х" 5000,00
4000,00
3000,00
2000,00
1000,00
0,00
-без гипса
-15 -3С проц проц
50 проц -насыщ
Частота f, Г
5000,00 10000,00 15000,00 20000,00 25000,00 30000,00 35000,00 40000,00 45000,00 50000,00
Рис. 6. Зависимость реактивного сопротивления раствора X от частоты тока f / Fig. 6. The dependence of the reactance of the solution X on the frequency of the current f
CD CuO
1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00
без гипса 15 проц 30 проц 50 проц -насыщ
ДИЭЛЬКОМЕТРИЯ
КОНДУКТОМЕТРИЯ
0,00 5000,00 10000,00 15000,00 20000,00 25000,00 30000,00 35000,00 40000,00 45000,00 50000,00
Частота f, Гц
0,00
Рис. 7. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tg в от частоты тока f / Fig. 7. Dependence of dielectric loss angle tangent tg в on current frequency f
Анализ полученных данных показал, что в диапазоне частот 100-50000 Гц |tg0| < 1. Таким образом, общее солесодержание раствора измерено кондуктометрическим методом. При этом достигается автоматизация процесса фиксации изменений в солевом составе раствора.
Для определения оптимального диапазона частот /Опт, где X ^ min, выполнена обработка экспериментальных данных и представлена диаграмма X/Z в процентном соотношении на рис. 7. При условии X/Z < 5 % получим, что /опт е(134 Гц; 3400 Гц).
Заключение
В заключение следует отметить, что полученные результаты эксперимента носят как фундаментальный, так и прикладной характер. Исследование электрофизических свойств подземных вод различных регионов является перспективным направлением развития гидрогеологической науки на современном этапе развития. Представленный подход к изучению основных электрофизических параметров, в том числе импеданса, является универсальным и может быть использован для анализа других типов подземных вод.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
В то же время исследование импеданса на примере образцовых сульфатных растворов позволило определить оптимальные параметры технического средства контроля за изменением общего солесодержания раствора. Это дает возможность автоматизировать процессы мониторинга размыва оснований зданий и сооружений, утечки химически опасных веществ из хвостохранилищ, предупредить развитие карстовых и суффозион-ных процессов и др.
Особый интерес представляет и возможность разработки технических средств, в режиме реального времени определяющих изменение состава подземных вод в зонах повышенной сейсмической активности, и создания инновационных систем раннего предупреждения землетрясений.
Выводы
1. Исследование электрофизических свойств подземных вод различного типа и состава является одной из ветвей развития гидрогеологической науки. Представленный подход к изучению основных электрофизических параметров, в том числе импеданса, является универсальным и может быть использован для анализа других типов подземных вод.
2. Изучение импеданса образцовых гипсовых растворов позволило определить оптимальные параметры технического средства контроля за фильтрацией подземных вод с повышенным содержанием сульфатов. В качестве технического средства контроля может быть использован сква-жинный частотный кондуктометр, диапазон входных частот которого составляет 134-3400 Гц.
3. Исследование электрофизических свойств подземных вод различного состава и генезиса позволит разработать системы раннего обнаружения различных чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера: размыва оснований зданий и сооружений, утечки опасных веществ в подземные воды, процессов карстообра-зования, землетрясений.
Литература
1. Нурмагомедов Т.Н. Изученность фильтрационных процессов разрушения гипсосодержащих пород оснований гидротехнических сооружений // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы : сб. тр. IX Все-рос. науч.-практ. конф. Воронеж: ГПС МЧС России, 2018. С. 681-684.
Поступила в редакцию /Received_
NATURAL SCIENCE. 2019. No. 4
2. Нурмагомедов Т.Н., Сианисян Э.С. Электрохимический метод контроля растворения и выноса гипса в основаниях гидротехнических сооружений // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2019. № 2. С. 60-66.
3. Латышенко К.П., Нурмагомедов Т.Н. Обоснование выбора информативного параметра контроля выщелачивания карбонатных пород в основаниях гидротехнических сооружений // Актуальные проблемы пожарной безопасности, предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций : сб. тр. IX Междунар. науч.-техн. конф. Кокшетау: КТИ, 2018. С. 162-165.
4. Нурмагомедов Т.Н. Стасишин Л.А. Информационная система мониторинга фильтрации в основаниях гидротехнических сооружений // Предотвращение. Спасение. Помощь : сб. тр. ХХ1Х Междунар. науч.-практ. конф. 21 марта 2019 г. Химки: АГЗ МЧС России, 2019. С. 101-105.
5. Графов Б.М., Укше Е.А. Электрохимические цепи переменного тока. М.: Наука, 1973. 128 с.
References
1. Nurmagomedov T.N. [The study of filtration processes of destruction of gypsum-containing rocks of the bases of hydraulic structures]. Pozharnaya bezopasnost': problemy i perspektivy [Fire safety: problems and prospects]. Proceedings of the IX All-Russian Scientific and Practical Conference. Voronezh: IPSA GPS MChS Rossii, 2018, pp. 681-684.
2. Nurmagomedov T.N., Sianisyan E.S. El-ektrokhimicheskii metod kontrolya rastvoreniya i vynosa gipsa v osnovaniyakh gidrotekhnicheskikh sooruzhenii [Electrochemical method of controlling the dissolution and removal of gypsum in the foundations of hydraulic structures]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki. 2019, No. 2, pp. 60-66.
3. Latyshenko K.P., Nurmagomedov T.N. [Substantiation of choice of informative parameter of control of leaching of carbonate rocks in the bases of hydraulic structures]. Aktual'nye problemy pozharnoi bezopasnosti, preduprezhdeniya i likvidatsii chrezvychainykh situatsii [Actual problems of fire safety, prevention and liquidation of emergency situations]. Proceedings of the IX International Scientific and Technical Conference. Kokshetau: KTI, 2018, pp. 162-165.
4. Nurmagomedov T.N. Stasishin L.A. [Information system for monitoring filtering in the foundations of hydraulic structures]. Predotvrashchenie. Spasenie. Pomoshch' [Prevention. Salvation. Help]. Proceedings of the XXIX International Scientific and Practical Conference. March 21, 2019. Khimki: AGZ MChS Rossii, 2019, pp. 101-105.
5. Grafov B .M., Ukshe E.A. Elektrokhimicheskie tsepi peremennogo toka [Electrochemical circuits of alternating current]. Moscow: Nauka, 1973, 128 p.
23 сентября 2019 г. /September 23, 2019
