CC BY
10
УДК 504:31 1
Применение природных растворов для обезвреживания ионов свинца
М. В. Шершнева, А. Б. Бобровник
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр. 9
Для цитирования: Шершнева М. В., Бобровник А. Б. Применение природных растворов для обезвреживания ионов свинца // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 2. - С. 263-268. Б01: 10.20295/1815-588Х-2020-2-263-268
Аннотация
Цель: Исследовать возможность использования некоторых природных растворов для обезвреживания ионов свинца, в настоящее время являющегося одним из наиболее опасных видов загрязнения техногенных грунтов. Обосновать обезвреживающие свойства природных растворов с учетом образования труднорастворимого соединения свинца. Разработать технологические решения, применив природные растворы для обезвреживания ионов свинца. Методы: Для определения концентрации ионов свинца в водных вытяжках техногенного грунта использовался ионно-селективный метод. Результаты: Обнаружены и изучены обезвреживающие свойства таких природных растворов как морская вода и природная сульфатная вода магниевого класса. Охарактеризованы обезвреживающие свойства этих вод. Предложены технологические решения по применению природных вод для обезвреживания ионов свинца. Выведены формулы для расчета необходимой дозы природных растворов для обезвреживания ионов свинца в техногенном грунте. Практическая значимость: Полученные результаты могут быть использованы при подготовке участка к строительству промышленного и гражданского назначения, а также при осуществлении хозяйственной деятельности, например, при рекультивации полигонов твердых бытовых отходов.
Ключевые слова: Ионы свинца, обезвреживание, природные растворы, технологическое решение, доза раствора.
Необходимость разработки теоретически обоснованных мер по защите окружающей среды от ионов свинца при осуществлении строительной и хозяйственной деятельности обусловлена государственной программой Российской Федерации «Охрана окружающей среды»; связана с повышением уровня экологической безопасности и сохранением природных систем.
Ионы свинца являются фактором экологической опасности, так как поступают от источника загрязнения в геосферные оболочки Земли, концентрируются в них и, ввиду своей подвижности, могут поглощаться растениями и по пищевой цепи попадать в организмы человека и животных.
По данным государственных докладов Министерства природы России за последние пять лет содержание свинца в почвах вокруг крупных городов достигало 294 предельно допустимых концентраций (ПДК, г/кг) по свинцу (г. Владикавказ) (табл. 1).
Загрязненные почвы относятся к главным экологическим проблемам и для Санкт-Петербурга. Среднее значение концентраций свинца в почвах жилых районов, промышленных зон и зон перспективной застройки города, по данным Российского геоэкологического центра, превышает 2,6 ПДК по свинцу.
Один из перспективных путей защиты окружающей среды от ионов свинца - связывание
ТАБЛИЦА 1. Загрязнение почв ионами свинца
Содержание ионов свинца в почвах Российской Федерации, мг/кг Отношение площади, загрязненной ионами свинца, к общей площади Российской Федерации, % Наименование территорий Российской Федерации
До 10 28 Северный, Северо-Западный, Западно-Сибирский
10-20 61 Западно-Сибирский, Восточно-Сибирский, Дальнево сточный
20-30 7 Уральский, Центрально-Черноземный, Северо-Кавказский
30-50 4 Южный Урал, Читинская и Ростовская области, район Кавказского биосферного заповедника
их в труднорастворимые соединения, которые являются аналогами природных минералов. Поэтому для строительной и хозяйственной деятельности актуален поиск веществ, которые позволят обезвредить ионы свинца [1-5]. Для этого с учетом произведения растворимости можно использовать некоторые природные растворы, например морскую воду и сульфатные воды магниевого класса.
Необходимо показать, что защита от ионов свинца возможна при применении природных растворов путем самопроизвольного образования труднорастворимых соединений.
Актуальность данного исследования подтверждается многими данными. Так, вследствие пожара в соборе Парижской Богоматери (Франция), произошедшего 15 апреля 2019 г., обрушились шпиль и части крыши собора из-за расплавления 400 т свинца, который использовался при строительстве. Это вызвало обширное свинцовое заражение территорий вокруг собора и близлежащих районов. По данным Агентства здравоохранения Парижа, оно достигало нескольких сотен тысяч микрограмм на квадратный метр. Зафиксировано несколько
случаев свинцового отравления у детей. Сразу после пожара в районе Нотр-Дама были закрыты три школы.
Предпринятые властями города мероприятия по обеззараживанию, основанные на обработке поверхностей водой, не привели к ожидаемым результатам, и уровень загрязнения остается крайне высоким.
В соответствии с высказанным мнением, что нейтрализация ионов тяжелых металлов должна основываться на образовании труднорастворимого соединения, была рассмотрена возможность использования природных растворов на примере природных вод сульфатного класса магниевой группы (Б^8) и морской воды (МВ) для нейтрализации ионов свинца из грунтовой влаги [6-10].
В табл. 2 представлены результаты нейтрализации природными растворами ионов свинца в водной вытяжке грунта с различной степенью загрязненности.
Следует отметить, что применение природных растворов для защиты от ионов свинца приводит к образованию минерала, аналогичного природным, в частности англезита.
ТАБЛИЦА 2. Результаты по обезвреживанию ионов свинца природными растворами
Концентрация ионов свинца, моль/л
в растворе для загрязнения грунта в водной вытяжке загрязненного грунта в водной вытяжке грунта после обработки природными растворами
«Mg Морская вода
Ы0-1 2-10-3 1,2-10"5 0,34^10-3
Ы0-2 2-10-4 1,0^10т6 1,0-10-®
1-10-3 2-10-5 <1,010-6 <1,0-10-6
1-10-4 2-10-6 <1,010-6 <1,0-10-®
Технологическое решение при осуществлении строительной и хозяйственной деятельности для защиты от ионов свинца предполагает обработку загрязненных территорий природными растворами путем орошения или инъек-тирования, например, при помощи машин для внесения жидких удобрений. Схема технологического решения представлена на рисунке.
Необходимый объем природного раствора для снижения на 1 ПДК по ионам свинца рассчитывается по формуле
V = -
ПДК
МЭ 2+Н
Pb2+
где V - необходимый объем природного раствора, л/кг; МЭ 2+ - моль-эквивалентная масса ионов свинца, г/моль-эквивалент; Н - нормальная концентрация природного раствора, рассчитанная на активную составляющую раствора, моль-эквивалент/л.
Формула является базовой, и значение объема V умножается на величину индекса ПДК.
Расчеты показали, что для уменьшения концентрации ионов свинца, соответствующей 1 ПДК, в 1 т техногенного грунта необходимо внести до 20 л природных вод сульфатного класса магниевой группы (8Меп) (слабой минерализации) или 12 л морской воды (с учетом солено-
Ликвидационное геоэкозащитное технологическое решение
сти Балтийского моря). Опытно-промышленная апробация на территории строительной компании показала снижение концентрации свинца в 10 раз.
Модифицированный гипсовый или магнезиальный камень, а также природные растворы, можно использовать в технологических решениях для подготовки к строительству участка (гражданскому, промышленному, транспортному), а также при осуществлении хозяйственной деятельности, в частности при рекультивации полигонов твердых бытовых отходов.
Таким образом, было установлено, что для обезвреживания ионов свинца в техногенных грунтах можно применять некоторые природные растворы, например морскую воду и сульфатную воду магнезиального класса. При этом ионы свинца переходят в максимально безопасное состояние, аналогичное природному, образуя минералы типа англезита с низким произведением растворимости. Опытно-промышленная апробация доказала возможность использования природных растворов. В работе предложена формула для расчета необходимой дозы природного раствора.
Библиографический список
1. Сватовская Л. Б. Инженерно-химические основы геозащиты природно-техногенных систем / Л. Б. Сватовская, М. Н. Латутова, А. М. Сычева, М. В. Шерш-нева, А. А. Кондрашов, М. Ю. Савельева // Транспортное строительство. - 2012. - № 12. - С. 20-21.
2. Сватовская Л. Б. Геоэкозащитные свойства технологических решений в транспортном строительстве от воздействия органических загрязнений / Л. Б. Сватовская, М. В. Шершнева, Е. В. Русанова, М. Ю. Савельева // Естественные и технические науки. - 2015. -№ 11 (89). - С. 304-306.
3. Дробышев Д. И. Инженерно-химические основы получения резательных пеноавтоклавных изделий и их геозащитные свойства / Д. И. Дробышев, И. П. Филатов, А. В. Хитров, М. В. Шершнева, В. Я. Соловьева, В. А. Чернаков, В. Д. Мартынова. - СПб. : ПГУПС, 2009. - 81 с.
4. Сватовская Л. Б. Эко- и геоэкозащита природно-техногенных систем. Теория и практика / Л. Б. Сватовская, М. В. Шершнева, М. М. Байдарашвили, А. М. Сычева, Д. С. Старчуков, А. С. Сахрова, О. В. Юров, А. А. Кабанов, Н. Н. Ефимова, А. Б. Бобровник, Н. А. Шредник, С. В. Симонюк, К. С. Мальчевская, М. Абу-Хасан. -СПб. : ПГУПС, 2016. - 62 с.
5. Масленникова Л. Л. Технология утилизации осадка природных вод / Л. Л. Масленникова, Н. А. Ба-бак, Д. Н. Бухарина, М. В. Шершнева // Экология урбанизированных территорий. - 2008. - № 3. - С. 82-85.
6. Сватовская Л. Б. Инженерно-химические и естественно-научные основы создания новых эко- и геозащитных технологий / Л. Б. Сватовская, Л. Л. Масленникова, Е. И. Макарова, Н. А. Бабак, М. В. Шерш-нева. - СПб. : ПГУПС, 2011. - 89 с.
7. Сватовская Л. Б. Применение индикаторного метода - новое перспективное направление для выбора компонентов экозащитных систем для транспорта / Л. Б. Сватовская, Н. И. Якимова, М. В. Шершнева, М. М. Байдарашвили // Наука и техника транспорта. -2004. - № 2. - С. 12-17.
8. Шершнева М. В. Фундаментальная природа гидратсодержащих твердых фаз в развитии детокси-кационных технологий / М. В. Шершнева // Инновационные технологии в строительстве и геоэкологии : Материалы I Междунар. науч.-практич. конференции. - СПб. : ПГУПС, 2014. - С. 15-17.
9. Сватовская Л. Б. Инновационные естественнонаучные технические решения в строительной деятельности / Л. Б. Сватовская, В. Я. Соловьева, М. С. Абу-Хасан, М. В. Шершнева, Л. Л. Масленникова, М. М. Бай-дарашвили // Перспективы будущего в образовательном процессе : сб. тезисов национальной науч.-технич. конференции. - 2017. - С. 108-109.
10. Шершнева М. В. Научные основы технологий утилизации силикатсодержащих отходов : дис. ... д-ра техн. наук / М. В. Шершнева. - СПб. : ПГУПС, 2009. - 304 с.
Дата поступления: 02.03.2020 г. Решение о публикации: 10.03.2020 г.
Контактная информация:
ШЕРШНЕВА Мария Владимировна - д-р техн. наук, профессор; scherschneva@rambler.ru БОБРОВНИК Анна Борисовна - аспирант; scherschneva@rambler.ru
Application of natural solutions to deactivation of lead nuclei M. V. Shershneva, A. B. Bobrovnik
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Shershneva M. V., Bobrovnik A. B. Application of natural solutions to deactivation of lead nuclei. Proceedings of Petersburg Transport University, 2020, vol. 17, iss. 2, pp. 263-268. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2020-2-263-268
Summary
Objective: Study the possibility of application of some natural solutions for deactivation of lead nuclei which is now one of the most dangerous types of pollution of man-made soils. Present an argument for deactivating properties of natural solutions, taking into account the formation of lead compound of low solubility. Develop technology design by applying natural solutions to deactivate lead nuclei. Methods: Ion-selective method was used for definition of concentration of lead nuclei in water extracts of man-made soil. Results: Deactivating properties of such natural solutions as sea water and natural magnesium-class sulfate water were discovered and studied. Deactivating properties of these solutions are described. Technology designs for application of natural waters for deactivation of lead nuclei are proposed. Formulae for calculation of required dosage of natural solutions for deactivating lead nuclei in man-made soil are introduced. Practical importance: Obtained results can be used in preparing a site for industrial and commercial construction, as well as in performing economic activities, for example, reclamation of domestic solid waste landfills.
Keywords: Lead nuclei, deactivation, natural solutions, technology design, solution dosage.
References
1. Svatovskaia L. B., Latutova M. N., Sycheva A. M., Shershneva M. V., Kondrashov A. A. & Savel'eva M. Iu. Inzhenerno-khimicheskie osnovy geozashchity prirodno-tekhnogennykh sistem [Chemical-engineering foundations of geo-protection of natural and man-made systems]. Transportnoestroitel'stvo [Transportconstruction], 2012, no. 12, pp. 20-21. (In Russian)
2. Svatovskaia L. B., Shershneva M. V., Rusano-va E. V. & Savel'eva M. Iu. Geoekozashchitnye svoistva tekhnologicheskikh reshenii v transportnom stroitel'stve ot vozdeistviia organicheskikh zagriaznenii [Geo-ecologi-cal properties of technological solutions in transport construction from effects of organic pollution]. Estestvennye i tekhnicheskie nauki [Natural and engineering sciences], 2015, no. 11 (89), pp. 304-306. (In Russian)
3. Drobyshev D. I., Filatov I. P., Khitrov A. V., Shershneva M. V., Solov'eva V. Ia., Chernakov V.A. & Mar-tynova V. D. Inzhenerno-khimicheskie osnovy polucheniia
rezatel'nykh penoavtoklavnykh izdelii i ikh geozashchit-nye svoistva [Engineering and chemical foundations of manufacturing of cutting foam-autoclave products and theirgeo-protectiveproperties]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2009, 81 p. (In Russian)
4. Svatovskaia L. B., Shershneva M. V., Baidarash-vili M. M., Sycheva A. M., Starchukov D. S., Sakhro-va A. S., Iurov O. V., Kabanov A. A., Efimova N. N.. Bobrovnik A. B., Shrednik N. A., Simoniuk S. V., Mal'chevskaia K. S. & Abu-Khasan M. Eko- i geozash-chita prirodno-tekhnogennykh sistem. Teoriia i praktika [Eco- and geo-protection of natural and man-made systems. Theory and practice]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2016, 62 p. (In Russian)
5. Maslennikova L. L., Babak N. A., Bukharina D. N. & Shershneva M. V. Tekhnologiia utilizatsii osadka prirodnykh vod [Technology for utilisation of natural waters sludge]. Ekologiia urbanizirovannykh territorii
[Urbanisedterritories'ecology], 2008, no. 3, pp. 82-85. (In Russian)
6. Svatovskaia L. B., Maslennikova L. L., Makaro-va E. I., Babak N.A. & Shershneva M. V. Inzhenerno-khimicheskie i estestvenno-nauchnye osnovy sozdaniia novykh eko- i geozashchitnykh tekhnologii [Chemical engineering and natural-scientific foundations for creating new eco- andgeo-protective technologies]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2011, 89 p. (In Russian)
7. Svatovskaia L. B., Iakimova N. I., Shershneva M. V. & Baidarashvili M. M. Primenenie indikatornogo metoda - novoe perspektivnoe napravlenie dlia vybora kom-ponentov ekozashchitnykh sistem dlia transporta [Application of indicator method as a new promising trend in selection of components of eco-protection systems for transport]. Nauka i tekhnika transporta [Transportscience and technology], 2004, no. 2, pp. 12-17. (In Russian)
8. Shershneva M. V. Fundamental'naia priroda gid-ratsoderzhashchikh tverdykh faz v razvitii detoksikat-sionnykh tekhnologii [Fundamental nature of hydrate-including solid phases in development of detoxification technologies]. Innovatsionnye tekhnologii v stroitel 'stve i geoekologii [Innovative technologies in construction and geo-ecology]. Proc. of the 1st Intern. Sci. and Practical Conference. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State
Transport University] Publ., 2014, pp. 15-17. (In Russian)
9. Svatovskaia L. B., Solov'eva V. Ia., Abu-Kha-san M. S., Shershneva M. V., Maslennikova L. L. & Baidarashvili M. M. Innovatsionnye estestvenno-nauchnye technicheskie resheniia v stroitel'noi deiatel'nosti [Innovative natural-science engineering solutions in construction activity]. Perspektivy budushchego v obrazovatel'nom protsesse [Prospects of the future in educational process]. Collected abstracts of National Research and Technical Conference, 2017, pp. 108-109. (In Russian)
10. Shershneva M. V. Nauchnye osnovy tekhnologii utilizatsii silikatsoderzhashchikh otkhodov [Scientific foundations for technologies of utilization of waste containing silicate]. Dr. Sci. Eng. dissertation. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2009, 304 p. (In Russian)
Received: March 02, 2020 Accepted: March 10, 2020
Author's information:
Mariia V. SHERSHNEVA - D. Sci. in Engineering,
Professor; scherschneva@rambler.ru
Anna B. BOBROVNIK - Postgraduate Student;
scherschneva@rambler.ru
