CC BY
19
УДК 631.43:539.16
М.В.ИВАНОВ1, Д.Э. ЧИРКС!*
1 Горный факультет, студент группы ИЗ-98-1, ассистент профессора 2 Металлургический факультет, кафедра ОФХ, профессор, д.х.н.
ИЗУЧЕНИЕ ИОННОГО ОБМЕНА В ГРУНТАХ С ЦЕЛЬЮ ИХ ОЧИСТКИ ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Была изучена адсорбция стронция и железа из водных растворов на различных минералах. В соответствии с сорбционной способностью изученные минералы можно расположить в следующей последовательности: кембрийская глина ~ каолинит > калиевый полевой шпат > альбит > олигоклаз. Данная последовательность хорошо кореллирует с удельной поверхностью изученных минералов, определенной методом тепловой десорбции аргона, и их обменной емкостью, определенной по адсорбции метиленового голубого. Были определены коэффициенты распределения Sr2+ и Fe3+ между минералами и водными растворами и константы ионного обмена между Sr2+ и Fe3t Значение последней величины составило 23,6 для альбита и 17,1 для олигоклаза. Поэтому для очистки грунтов от загрязнений стронцием можно рекомендовать водные растворы железа (III).
The absorbtion of strontium and ferrum from water solutions on different minerals has been studied. In accordance with absorbing ability the studied minerals can be put in the following sequence: Cambrian clay ~ kaolinyte > potassium feldspar > albyte > olicoglas. The given sequence has good correlation with the spesific surface of the studied minerals, determined by the method of heat desorbtion of argon and their exchanging capacity, determined by the absorbtion of methylene blue. Distrbution factors of Sr2+ and Fe3+ between the minerals and the water solutions and constants of ionic exchange between Sr2+ and Fe3+ have been determined. The value of the latter magnitude is 23,6 for albyte and 17,1 for olicoglas. Therefore, water solutions of Fe (III) can be recommended to purify soil from strontium pollution.
Среди техногенных изменений окружающей среды, в частности геосферы, особую опасность представляет ее загрязнение и ухудшение экологического состояния территорий в результате накопления на поверхности и в недрах земли различных промышленных и бытовых отходов. Актуальность работы обусловлена наличием в различных регионах земного шара территорий, загрязненных радионуклидами в результате аварий, техногенной деятельности, ядерных
испытаний: «чернобыльский след», бассейн реки Течь, районы Сибирского химического комбината и комбината «Маяк», некоторые районы Астраханской области.
Непосредственно проект направлен на проблему очистки 5-го квартала Васильевского острова в Санкт-Петербурге от загрязнения 908г. Загрязненная законсервированная территория имеет площадь 3600 м2 Верхний слой грунта загрязнен преимущественно стронцием-90 с содержанием около
116 _
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.150. Часть 1
10"4 Ки/кг. Вследствие хороших фильтрационных свойств грунта и значительной подвижности стронция-90 глубина загрязнения составляет до 6 м. Такие объемы грунта (около 24000 м3) невозможно захоронить, поэтому необходима очистка расположенной в центре города территории in situ.
Для концентрирования и очистки от тяжелых и радиоактивных элементов применяются различные методы растворения, термические, электрохимические, электрокинетические, магнитные, ионообменные, химические и другие методы. Большинство указанных способов очистки требуют значительных затрат, сложного аппаратурного оформления или еще недостаточно разработаны.
Наиболее простым и экономичным способом очистки грунтов от загрязнений тяжелыми металлами (в частности, радионуклидами) является их промывка раствором смеси хлоридов железа (III) и аммония [1-3]. Также изучена возможность отмывки стронция-90 из ила р.Течь в Челябинской области [2].
В табл.1 приведены значения степени очистки ила в динамических условиях в колонке диаметром 1 см и высотой 12 см после пропускания около 5 колоночных объемов элюента.
Можно сделать вывод, что стронций-90 может быть отмыт из грунтов на 70-80 % растворами азотной кислоты или хлорного железа. Экономически и экологически эффективнее использование хлорного железа. При этом достигается более высокая степень очистки при многократно меньшей концентрации промывного раствора.
Таблица 1
Результаты очистки ила р.Течь от стронция-90 [2]
Элюент Концентрация Степень очистки, %
Вода дистиллированная 15,1
Вода водопроводная 18,0
Азотная кислота 0,1 М 56,8
Азотная кислота 0,2 М 68,6
Азотная кислота 0,5 М 72,5
Азотная кислота 1,0 М 74,5
КаОН 1,3 М 2,7
РеС13 + Ш4С1 0,01 М 85,0
С целью установления факторов, влияющих на распределение стронция и железа между образцом грунта и водной фазой, нами был выполнен ряд экспериментов. В качестве модельных составляющих грунта использовали минералы силикатной группы, наиболее часто встречающиеся в составе грунтов средней полосы России (табл.2). Размер зерен определяли ситовым анализом, емкость - по адсорбции метиленового голубого, удельную поверхность - по тепловой десорбции аргона.
Из данных табл.2 следует, что удельная поверхность образцов коррелирует со значениями их обменной емкости, а также со степенью дисперсности. Чем выше дисперсность, тем больше удельная поверхность и обменная емкость. Этим можно объяснить известный факт накопления радионук-лидных загрязнений в мелких фракциях грунтов.
Определение величины адсорбции стронция и железа минералами проводили в статических условиях из модельных раство-
Характеристики минералов, используемых в работе
Таблица 2
Минерал Формула Размер зерен, мм Емкость, мг-экв/кг Удельная поверхность, м2/г
Каолинит Al4(OH)8[SL,O,0] -0,16 + 0,10 9,1 5,2
Кембрийская голубая глина K2Al4[Al2Si6O20](OH,F)4 -0,16 + 0,10 10,25 5,86
Олигоклаз (Nao,9Cao,,)[AIuSi2i908] -0,40 + 0,16 0,14 0,17
Альбит Na[AlSi308] -0,40 + 0,16 0,22 0,20
Калиевый полевой шпат K[AlSi308] -0,40 + 0,16 0,36 0,21
_ 117
Санкт-Петербург. 2002
ров хлоридов. Раствор хлорида стронция или железа (3+) перемешивали с навеской воздушно-сухого образца минерала в течение 5-6 часов до установления равновесия. Доказательством равновесия служило постоянство значений концентраций стронция или железа (3+) в растворе. Отношение объема жидкой фазы к массе навески составляло 10 см3/г.
После опыта минерал отделяли на фильтре «синяя лента». Растворы анализировали на содержание стронция или железа (табл.3 и 4). Стронций определяли при рН = 2,8-нЗ,0 (ацетатный буферный раствор) в 60-процентном ацетоне или спирте. Анализ проводили фотометрически с нитроор-таниловым С (нитрохромазо) по интенсивности полосы поглощения комплекса стронция с нитрохромазо при длине волны 650 нм. Железо определяли фотометрическим методом по величине поглощения ро-данидного комплекса при длине волны 480 нм.
Таблица 3
Распределение стронция между минералами и раствором 8гС12
Минерал рнер Со, моль/кг с моль/кг
Кембрийская -7 ю-3 3-Ю"4 29,5
голубая глина
Каолинит ~7 10"3 2,8-10"4 32,5
Калиевый полевой ~7 ю-3 3,5-Ю"1 23,5
шпат
Олигоклаз 4,85 ю-3 8,2-10^ 2,8
7,5 ю-3 8,9-10"1 1,6
Альбит 4,7 ю-3 7,9-10^ 4,0
Таблищ'
Распределение железа (3+) между минералами и раствором ЕеС13
Минерал РН«, С„, моль/кг с моль/кг
Альбит Олигоклаз 4,41 4,41 3,1-Ю"4 5,36-10"3 1,43-Ю-4 4,28-10"3 0,30 0,13 38,9 19,4
Коэффициенты распределения катионов металлов между твердой и жидкой фазами были рассчитаны по формуле
А/ =
(Со - Сед) Ус1 Сечту^2+
где Со, Се9 - соответственно исходная и равновесная концентрации катиона металла в водной фазе, моль/кг; V - объем раствора, м3; с1 - плотность раствора, кг/м3; т - масса навески исследуемого образца, кг; у5]Л+
коэффициент активности стронция в исходном растворе, рассчитанный по уравнению Дэвис, равный для стронция 0,79 во всех опытах.
По сорбционной способности исследованные минералы можно расположить в ряд: кембрийская голубая глина ~ каолинит > калиевый полевой шпат > альбит > олигоклаз. Этот ряд сорбционной способности в первом приближении можно объяснить изменением удельной поверхности и обменной емкости минералов.
По реакции 35г2+(т) + 2Ре3+(ж) <=> «38г2+(ж) + 2Ре3+(т) были рассчитаны константы равновесия ионного обмена, равные отношению коэффициентов распределения катионов:
Значения К составили соответственно 23,6 на альбите и 17,1 на олигоклазе. Смещение равновесия в сторону вытеснения катионов стронция с поверхности минералов в раствор позволяет сделать вывод о возможности очистки грунта от загрязнения 908г путем промывания раствором соли железа (3+).
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент № 2050029 РФ. Способ дезактивации почвогрунтов от радионуклида цезия-137 / Д.Э.Чиркст, К.Н.Чалиян, А.Г Чалиян. Опубликован в Б.И. 1995. № 4. С. 252.
2. Изучение прочности связывания изотопов цезия и стронция в илах радиоактивно загрязненных водоемов/ Э.А.Чувелева, Л.А.Фирсова, В.В.Милютин, В.М.Гелис, С.И.Ушаков//Радиохимия. 1996. Т.38. № 6. С. 554-557.
ТввЫ 0135-3500. Записки Горного института. Т.150. Часть 1
3. Кинетика десорбции радионуклидов ШС5 и 908г с почвогрунтов, загрязненных в результате аварии на ЧАЭС / Д.Э.Чиркст, К.Н.Чалиян, А.Г.Чалиян, Н.Р.Андреева//Радиохимия. 1996. Т.38. № 1. С.88-90.
4. Dibrov I.A. Leaching of ,37Cs and 90Sr contaminated soils by FeCl3 and NH4C1 soluions / I.A.Dibrov, D.E.Chirkst, K.N.Chaliyan // Environmental Technology. V.20. P.575-585.
