Применение установки гидроклассификации для очистки почвогрунтов, содержащих водонерастворимые формы ртути Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 66.067.1: 546.49-121

У.С. Никулина*, П.В. Корнев, А.В. Жуков, В.С. Дьяков, Н.А. Науменко, С.В. Чижевская

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, г. Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 *e-mail: Nikulina.ULN@gmail.com

ПРИМЕНЕНИЕ УСТАНОВКИ ГИДРОКЛАССИФИКАЦИИ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОЧВОГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ВОДОНЕРАСТВОРИМЫЕ ФОРМЫ РТУТИ

Показано, что установка гидроклассификации почвогрунтов антропогенного происхождения, содержащих водонерастворимые формы ртути, связанные с наноструктурированными глинистыми минералами, должна быть оснащена узлом очистки оборотной воды от механической взвеси.

Ключевые слова: ртуть, ртутьсодержащие почвогрунты, установка гидроклассификации, насыпной фильтр.

В связи с высокой антропогенной нагрузкой на урбанизированные территории проблема поступления тяжелых металлов в экосистемы стала одной из наиболее актуальных в сфере охраны окружающей среды. Известно, что поступление некоторых элементов от техногенных источников в окружающую среду порой значительно выше, чем от природных объектов [1]. Вывод из эксплуатации, демонтаж, переоснащение целого ряда производств и предприятий (хлорно-щелочных, целлюлозно-бумажных,

приборостроительных, электроламповых,

разделения изотопов лития, получения хлорвинила, красителей и др.) привели к образованию значительных объемов почвогрунтов (ПГ), загрязненных тяжелыми металлами, в том числе, ртутью. Ртутьсодержащие почвогрунты представляют большую угрозу: ртуть, являясь элементом I класса опасности

(«суперэкотоксикант»), легко вовлекается в глобальные и региональные биогеохимические циклы, что может приводить к серьезным функциональным нарушениям [1]. Под влиянием естественных природных факторов ртуть трансформируется в органические и неорганические формы, часть которых нерастворима в воде.

Целью данной работы являлось изучение возможности использования установки гидроклассификации для очистки от ртути ПГ, содержащих ее водонерастворимые формы.

В работах [2,3] приведены результаты экспериментов по очистке ртутьсодержащих почвогрунтов с применением установки гидроклассификации, проведенные нами в 20102013 гг. В почвогрунтах, отобранных в окрестностях одного из российских предприятий, длительное время хранившихся в естественных природных условиях, наряду с песком, глиной, растительными остатками присутствовали фрагменты строительного мусора (стекло, бетон, элементы металлоконструкций, обломки кирпичей и т. п.).

Определение ртути в образцах методом атомно-абсорбционной спектрометрии [4] показало, что до 85% ее концентрировалось в тонкодисперсных фракциях, массовая доля которых не превышала 35%. Средняя концентрация Hg в остальных фракциях (песковой, крупнокусковой) составляла 15 мг/кг, что в 2,2 раза меньше значения максимально допустимого уровня содержания ртути по одному из четырех показателей вредности Kmax (33,3 мг/кг)

[5].

В процессе гидроклассификации

ртутьсодержащих ПГ, отобранных с различных участков объекта, в ряде экспериментов наблюдалось накопление в оборотной воде тонкодисперсной фракции (предположительно, глинистой), снижавшее качество очистки ПГ. В связи с этим в установку гидроклассификации был введен узел очистки оборотной воды от механической взвеси, основной аппарат которого (корпус выполнен из прозрачного оргстекла) представлял собой устройство колонного типа с нижним дренажом - насыпной фильтр высотой 1000 мм, диаметром 54 мм. В качестве фильтрующего материала была использована экспериментально подобранная фракция кварцевого песка 0,16-0,34 мм. Суспензию подавали в верхнюю зону насыпного фильтра с помощью погружного насоса, фильтрат, выводимый из нижней зоны аппарата, собирали в приемную емкость и анализировали на содержание твердой фазы и ртути.

По данным лазерной гранулометрии (Analysette-22 "Economy", Fritsch) размер частиц твердой фазы, присутствовавшей в оборотной воде, варьировал в интервале от ~ 1 до 50 мкм (d50 = 4,4 мкм). Изучение твердой фазы с помощью электронной микроскопии (Vega 3, Tescan) показало, что она представляет собой (рис.1) рыхлые агломераты размером 5-25 мкм, сложенные наноразмерными агрегатами слоистой структуры (толщина слоев 40-50 нм). По данным РФА (D2 PHASER, Bruker), представленным на

рис. 2, в твердой фазе наряду с кристаллической кальцит (6%), галит (3%) и алюмосиликаты

фазой (75%) присутствовала рентгеноаморфная сложного состава (36%). На основании

(~25%), о чем свидетельствует гало в области 29 = проведенных исследований сделано заключение,

20-30о. что основой твердой взвеси в оборотной воде

В составе кристаллической фазы обнаружены являются наноструктурированные глинистые

а-кварц (18%), гипс (13%), каолинит (24%), минералы.

х1000 х5000 х15000

Рис. 1 Морфология твердых частиц в составе оборотной воды

1 - ЯЮ,

2 - Са804-2Н,0

4 - СаСО,

5 - ЫаС1

6 - К(М8,А1)2,и(81,мА1066)О10(ОН)2

| 4000

311 м I1 и'н (\\1 п й|\ I ^Лвя1 ■ /ни^' \iiiiiJiiiiIii|№Ы|^Н1

........... . .1.................1.. ...)...

, 6 10

I ИМ II 1,1 I 11^ II . Ц 1111 и III II 111,111 20 30 „„ 40

111111 ДМ ■ 11 50 60

Рис. 2 Фазовый состав твердой фазы, выделенной из оборотной воды

1 I Забор почвогрунта (ПГ) с загрязненной территории

Ш"

Отделение фракции +100 мм

3 Предварительная обработка ПГ

(отделение фракции +10 мм, растительных остатков; приготовление пульпы)

Гидроклассификация

Очищенные фракции ПГ

Фильтрование

Вода

оборотная

Чистая

ентрифугирование водной суспензии

Твердый осадок

Т]

Утилизация

4

вода

6

Рис. 3 Принципиальная схема очистки почвогрунтов, содержащих водонерастворимые формы ртути

Результаты лабораторных испытаний узла фильтрования показали, что однократное пропускание суспензии через фильтрующий слой позволяет снизить среднее содержание твердой фазы в оборотной воде с 1,6 г/л до 0,9 г/л. При этом концентрация ртути в оборотной воде снижается с

0,53 мг/л лишь до ~ 0,36 мг/л, что значительно превышает ПДКнё сточных вод (0,005 мг/л). Эти данные указывают на корреляцию между содержанием твердой фазы в оборотной воде и концентрацией в ней Н§.

Полного осветления суспензии, прошедшей

насыпной фильтр, удалось достичь только после последующего фильтрования ее на аппарате, моделирующем нутч-фильтр. Концентрация Ы§ в фильтрате при этом снизилась до 0,0001 мг/л, а в твердой фазе, выделенной из суспензии, составила 330 мг/кг (при ПДКЫё для почв в 2,1 мг/кг).

На основании результатов экспериментов в принципиальную технологическую схему очистки ПГ от ртути [3] введена стадия фильтрования суспензии оборотной воды (6).

Усовершенствованная схема очистки ртутьсодержащих ПГ, содержащих ее водонерастворимые формы (рис. 3), включает следующие стадии: отбор почвогрунта с загрязненной территории (1); отделение фракции +100 мм (2); отделение фракции +10 мм, растительных остатков, строительного мусора, приготовление пульпы из ПГ и оборотной воды,

перемешивание и фракционирование пульпы (3), выделение глинистой и песковой фракций (4); отделение осадка глинистой фракции от оборотного раствора центрифугированием (5); выделение механической взвеси из оборотной воды (6); утилизацию осадка глинистой фракции

(7).

На основании проведенных исследований можно заключить, что для глубокой очистки ртутьсодержащих ПГ антропогенного

происхождения, содержащих наряду с металлической ртутью, ее водонерастворимые формы, связанные с наноструктурированными глинистыми минералами, целесообразно доработать насыпной песчаный фильтр или дополнить узел фильтрования (6) аппаратом типа нутч-фильтра.

Никулина У.С. аспирант кафедры «Технология редких элементов и наноматериалов на их основе» (ТРЭН), РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

Корнев П.В. студент кафедры «ТРЭН» РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

Жуков А.В. к.х.н., ассистент кафедры «ТРЭН» РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

ДьяковВ.С. начальник группы П-263 ОАО «ВНИИНМ» им. А.А. Бочвара, Россия, Москва

Науменко Н.А. к.х.н., технический директор, ООО «КПОЯК», Россия, Москва

Чижевская С.В. д.х.н., профессор кафедры «ТРЭН» РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. Маликова И.Н., Устинов М.Т., Аношин Г.Н., Бадмаева Ж.О., Маликов Ю.И. Ртуть в почвах и растениях в районе озера Большое Яровое // Геология и геофизика. - 2008. - Т. 49, № 1. - С. 5966.

2. Дьяков В.С., Никулина У.С., Чижевская С.В., Науменко Н.А., Гладков С.Ю. Очистка грунтов антропогенного происхождения, загрязненных ртутью, с использованием колонны гидроклассификации // Ж. химическая технология - 2013. - № 4. - С. 247-252.

3. Никулина У.С., Науменко Н.А., Дьяков В.С., Чижевская С.В., Гладков С.Ю. Очистка почвогрунтов от радионуклидов и ртути с использованием метода гидроклассификации // Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике: тезисы докл. XV Межд. научно-практ. конф. - С.-Петербург, 2013. -Т. 1. - С. 205-207.

4. МУК 4.1.1471-03 Атомно-абсорбционное определение массовой концентрации ртути в почвах и твердых минеральных материалах.

5. МУ 2.1.7.730-99 Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест.

Nikulina U.S.*, Kornev P.V., Zhukov A.V., Dyakov V.S., Naumenko N.A., Chizhevskaya S.V.

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: Nikulina.ULN@gmail.com

APPLICATION OF THE HYDROCLASSIFICATION DEVICE FOR DECONTAMINATION OF SOILS FROM INSOLUBLE FORMS OF MERCURY

Abstract

It has been shown that the device for hydroclassification of anthropogenic soils containing insoluble mercury forms which are combined with nanostructured clay minerals should be equipped with unit for reused water decontamination from solid phase.

Key words: mercury, soils contaminated with mercury, hydroclassification device, bulk filter.