Методическое пособие 742

ванному дорожному полотну: точки № 2 и 3 располагались на проезжей части, на расстоянии 0,1 м и в 3-5 м от проезжей части, соответственно. Нумерация образцов проб состояла из буквенного обозначения точки опробования и номера точки отбора на площадке (например, А- 2, Д-3). Из проб готовилась водная вытяжка, в которой определялось содержание Cl-, SO42-, HCO3-, CO32-, Ca2+, Mg2+, Na++K+, сухого остатка, а также pH, Eh, электропроводность и солесодержание.

Установлено, что осенью 2016 г. почвы ЮЗАО имели в основном нейтральную или слабощелочную реакцию среды (рис. 1). Минимальное значение (pH = 6,63) было зарегистрировано у почв на Севастопольском проспекте (точка «Г») на дальней от проезжей части точке. Максимальное значение pH почв было зафиксировано в ближней к дороге точке на ул. Профсоюзной. Весной 2017 г. ситуация несколько изменилась - минимальное значение pH отмечено вновь на точке Г, на дальней от проезжей части точке, но показатель pH составил уже 7,45. Максимум был достигнут у МКАД, на дальней от проезжей части точке. Стоит отметить, что весной, в целом, значения pH почв были выше, чем осенью, что говорит о защелачивании почв за счет ПГР. На всех точках была зафиксирована слабощелочная реакция среды. Кроме того, непосредственно на обочинах дорог значение pH почв было, как правило, существенно выше, чем на расстоянии 3-5 м от обочины.

Рис. 1. Динамика изменения pH в почвах в осенний и весенний периоды

Таким образом, подщелачивание почв к весне составило 0,5-1 единиц рН относительно осенних проб, максимальная разница в pH достигается на ближайших к проезжей части точках, что здесь может быть связано с наибольшей аккумуляцией почвами дорожных остатков ПГР. Повышенное значение pH свидетельствует о наличии щелочной агрессивности опробованных почв.

Содержание сухого остатка в водных вытяжках весенних и осенних проб существенно отличается на точках, прилегающих к проезжим частям (рис. 2). Весной во всех пробах зафиксировано увеличение количества сухого остатка почти в 2 раза относительно осенних проб, что говорит о засолении почв. Степень засолѐнности почв с обочины не превышала 0,4

%.

141

Рис. 2. Динамика изменения содержания сухого остатка в пробах в осенне-весенний период

а

б

Рис. 3. Динамика изменения содержания анионов HCO3- (а) и Cl- (б) в почвах в осенне-весенний период

142

Максимальные содержания сухого остатка были зарегистрированы в почвах, находящихся непосредственно на обочинах дорог. За зимний период засолѐнность этих почв увеличивается в 1,5-2 раза. Кроме того, увеличение содержания солей в почвах приводит к уменьшению их электрического сопротивления, что обуславливает рост их коррозионной активности как по отношению к металлам (например, к подземным коммуникациям, кузовам автомобилей), так и к дорожному асфальтовому полотну.

По ионному составу водные вытяжки, как правило, относились к гидрокарбонатно- хлоридно-натриевому классу. Среди катионов преобладал, в особенности осенью, анион HCO3- (рис. 3 а), к которому весной добавился анион хлора (рис. 3 б).

Примечательно, что содержание аниона хлора в весенних пробах увеличилось в первую очередь на точках, находящихся у проезжей части. По всей вероятности, хлор поступает сюда в виде солей натрия и кальция (NaCl и CaCl2), которые и используются в качестве ПГР. Содержание анионов SO42- изменилось за зиму незначительно – максимальное отклонение отмечено на точке «Г-2», где содержание SO42- увеличилось в 1,5 раза с 0,011 % до 0,016 %. В целом же содержание SO42- в почвах весной увеличилось в среднем в 1,1 раза. Таким образом, в составе водной вытяжки преобладают анионы HCO3- и Cl-. Пиковые изменения содержания анионов приходятся на хлор, содержание которого за зиму выросло в среднем почти в 2,5 раза, а на точках у проезжей части его содержание увеличилось в среднем в 3 раза, что характерно при применении хлорсодержащих ПГР.

Среди катионов преобладают Na++K+, доля которых в вытяжке составляет 87 %. Как можно увидеть на рис. 4, содержание натрия и калия к весне увеличилось, особенно это коснулось точек, располагающихся у проезжей части, где содержание этих катионов выросло более чем в 2 раза. Очевидно, полученные данные обусловлены именно увеличением содержания катиона натрия, так как одним из основных компонентов ПГР является техническая соль - NaCl [5].

Рис. 4. Динамика изменения содержания катионов Na++K+ в почвах в осенне-весенний период

Другим компонентом, входящим в смесь применяемых ПГР в Москве, является CaCl2. Динамику содержания катиона кальция можно увидеть на рис. 5. Наибольшее содержание катиона кальция наблюдаются в придорожной зоне, тогда как с удалением от проезжей части содержание данного катиона уменьшается. Стоит также отметить, прирост ионов кальция за зимний период наблюдается на всех без исключения исследуемых площадках. Что касается катиона магния, то его среднее содержание осталось неизменным, а на некоторых точках (А- 2, В-3, Е-2, Ж-2, Ж-3) было зафиксировано незначительное уменьшение его содержания.

143

Рис. 5. Динамика изменения содержания катионов Ca2+ в почвах в осенне-весенний период

Таким образом, из катионов в почвах, отобранных у обочин автотрасс ЮЗАО, преобладает натрий. За зимний период наибольшему количественному изменению подверглись катионы натрия и кальция, содержание которых выросло в полтора раза, что, безусловно, связано с применением ПГР. Полученные данные позволяют утверждать, что вследствие внесения ПГР происходит подщелачивание, развитие процессов засоления и солонцеватости почв. Это является причиной роста их химической агрессивности, влияющей на трансформацию городских экосистем и снижение экологической безопасности в городе.

Литература

1.Королев В.А. Геологический риск применения антигололѐдных реагентов / В.А. Королев // Геориск. - М.: Изд-во «ООО Геомаркетинг», 2009. - № 1. - С. 42-45.

2.Королев В.А. К итогам круглого стола в Государственной думе Российской Федерации: проблема противогололѐдных реагентов на ближней к дороге точке / В.А. Королев // Инженерные изыскания. - М.: Изд-во «ООО Геомаркетинг», 2015. - № 2. - С. 18-22.

3.Королев В.А., Горняков А.К. Экологическая безопасность городских территорий в связи с применением противогололедных реагентов на ближней к дороге точке / В.А. Королев, А.К. Горняков // Комплексные проблемы техносферной безопасности: материалы III Межд. научно-практической конференции (Воронеж, 11-12 ноября 2016 г.). - Воронеж: Издво «ФГБОУ ВО Воронежский государственный технический университет», 2016. - Т. 1. -

С. 132-135.

4.Королев В.А., Соколов В.Н., Самарин Е.Н. Оценка эколого-геологических последствий применения противогололедных реагентов в г. Москве / В.А. Королев, В.Н. Соколов, Е.Н. Самарин // Инженерная геология. - М.: Изд-во «ООО Геомаркетинг», 2009. - № 1. - С.

34-43.

5.Об утверждении технологии зимней уборки проезжей части магистралей, улиц, проездов и площадей (объектов дорожного хозяйства г. Москвы) с применением противогололедных реагентов и гранитного щебня фракции 2-5 мм / Распоряжение Правительства Москвы от 28 сентября 2011 г. № 05-14-650/1 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.lawsrf.ru/region/documents/764898/

ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»

V.A. Korolev, A.K. Gornyakov

144

ECOLOGICAL SAFETY WHEN APPLICATING ANTI-ICING REAGENTS IN CITIES

For the purpose of an independent study of the effect of anti-icing reagents on urban ecosystems, the soils with residues of the anti-icing reagents was explored on the seven areas that are adjoined to the biggest highways in the South-Western part of Moscow. The results of research show that there is a direct relationship between the soils statistics changes and the addition of the antiicing reagents

Key words: soil contamination, anti-icing reagents, anti-ice covered groundreagents, precipitates with remains of anti-ice- covered ground reagents, Moscow, facilities in the city, ecological safety, salinization of soils, solonetzation of soils

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Moscow State University name M.V. Lomonosova»

УДК 504.54, 550.8, 624.131

Д.С. Нестеров, В.А. Королѐв, М.С. Чернов

ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ЭКРАНОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕХНОСФЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Рассмотрена возможность применения различных глин в качестве материала для электрокинетического реакционного барьера путѐм регулирования поверхностного заряда глинистых частиц. Даны рекомендации по применению глинистого барьера против различных загрязнителей

Ключевые слова: электрокинетические барьеры; δ-потенциал; точка нулевого заряда; глины;техносферная безо-

пасность

В настоящее время проблема загрязнения окружающей среды стоит наиболее остро. Различные загрязнители с фабрик, свалок, шахт разносятся на огромные расстояния потоками грунтовых вод. Для предотвращения распространения токсикантов применяются в частности электрокинетические барьеры. Принцип их действия основан на создании противоположно направленного водного потока в теле барьера при наложении электрического поля изза развития электроосмотического потока и электромиграции ионов в порах барьера [1-5].

Эффективной технологией является создание комбинированного электрокинетического реакционного барьера. При этом ряд электродов концентрирует и перенаправляет поток подземных вод в сторону полупроницаемого барьера, сложенного из материала, химически активного по отношению к загрязнителю. Это позволяет не только предотвратить распространение токсикантов, но и добиться очистки подземных вод [4].

Одним из нерешѐнных вопросов при создании подобного барьера является выбор материала. Глинистые грунты обладают высокими показателями адсорбционных свойств и сравнительно дѐшевы, что делает их применение в данной области перспективным. Кроме того, при изменении физико-химических факторов свойства глин (электрокинетические, электроповерхностные, адсорбционные и другие свойства) значительно изменяются. В виду этого возможно их применение против различных по природе загрязнителей.

Поэтому целью настоящего исследования было изучение изменения электрокинетических свойств глин различных минеральных типов при их кислотно-щелочной обработке и создание рекомендаций по их применению в качестве материала для защитного электрокинетического барьера.

Объекты и методика исследования. В качестве объектов исследования были использованы Са-формы глин основных минеральных типов: глуховецкого каолина, кембрийской иллитовой глины и махарадзевской монтмориллонитовой глины (асканглины). Образцы каолина были добыты в Украине (с. Глуховцы), иллитовой глины - в Ленинградской области, асканглины - в Грузии (с. Аскания).

По минеральному составу глуховецкий каолин состоит на 75 % из каолинита и содержит значительные примеси кварца (20 %) и иллита (5 %). Кембрийская глина содержит 53 %

145

иллита, 25 % кварца, 15 % других глинистых минералов и 7 % калиевого полевого шпата. Асканглина состоит на 100 % из монтмориллонита. По ГОСТ 25100-2012 глуховецкий каолин является глиной лѐгкой пылеватой, кембрийская глина - глиной тяжѐлой пылеватой, асканглина - глиной тяжѐлой. Показатели физико-химических свойств глин закономерно возрастают в ряду каолин-иллитовая глина-асканглина.

В ходе кислотно-щелочной обработки глины насыщались растворами 0,1-0,001 н HCl 0,0001-0,01 н Ca(OH)2 для создания широкого диапазона pH. Изменение свойств глин оценивали по 2 параметрам - величине δ-потенциала и окислительно-восстановительного потенциала (Eh). Для измерения pHиспользовали прибор pH-061, для Eh–прибор ORP-169B. Величины δ-потенциала измеряли на приборе HoribaSZ-100.

Результаты и их обсуждение. При изменении pH порового раствора δ-потенциал частиц значительно изменяется (рис. 1). В нейтральной среде δ-потенциал частиц всех глин отрицателен. В щелочной среде отрицательные значения δ-потенциала увеличиваются, в кислой - уменьшаются. В сильнокислой среде происходит смена знака δ-потенциала на положительный (для асканглины - в слабокислой). Значение pH, при котором δ=0, называется точкой нулевого заряда.

Величина δ-потенциала зависит от поверхностного заряда глинистой частицы ζp. Заряд ζp складывается из структурного заряда ζ0 за счѐт изоморфных замещений, заряда за счѐт гидроксилизации поверхности ζHи заряда различных сорбированных ионовζS [6]:

ζp = ζ0 + ζH + ζS (1)

Заряд гидроксильных групп наиболее чувствителен к изменению pHсреды, в щелочной среде гидроксильные группы частицы диссоциируют с отдачей иона H+, а в кислой - с отщеплением OH- или присоединением H+. В соответствии с эти можно объяснить изменения δ-потенциаа в зависимости от pH среды для изучаемых глин.

Рис. 1. Зависимость величины δ-потенциала частиц глинистых грунтов от значения pH суспензий: 1 - Ca-формы глуховецкого каолина; 2 - кембрийской иллитовой глины; 3 - махарадзевской монтмориллонитовой глины

146

В связи с возрастанием от каолина к асканглине числа активных групп в единице объ-

ѐма происходит смещение точки нулевого заряда pHp.z.c. в щелочную область в этом ряду. При отрицательных значениях δ-потенциала частиц глины защитный барьер будет

эффективно поглощать катионные загрязнители, а при положительных - анионные. Таким

образом, в диапазоне pH>pHp.z.c. барьер будет эффективен против катионитов, а при pH<pHp.z.c.- против анионитов. Наиболее эффективно барьер будет работать на пути миграции загрязнителя при максимальных абсолютных значениях δ-потенциала.

Также необходимо было рассмотреть возможность применения глинистых барьеров против загрязнений, обладающих окислительными или восстановительными свойствами. Зависимость окислительно-восстановительного потенциала от pH представлена на рис. 2. В широком диапазоне pH глины имеют положительные значения окислительновосстановительного потенциала. В целом, для всех глин с увеличением pH происходит уменьшение Eh, вплоть до смены знака в сильнощелочной среде. При этом в ряду каолиниллитовая глина-асканглина при одном значении pH окислительно-восстановительный потенциал уменьшается, среда становится восстановительной. Также значения Eh для растворов, не содержащих глинистых частиц, больше, чем для всех глин. Исходя из полученных данных, в широком диапазоне pH глинистые барьеры будут эффективны против восстановительных загрязнителей, причем набольшей эффективностью они будут обладать при низких значениях pH. В сильнощелочной среде глинистый барьер может быть использован против окислительныхтоксикантов.

Рис. 2. Зависимость окислительно-восстановительного потенциала (Eh, мВ) от pH:

1 - равновесных эталонных растворов; суспензий: 2 - Ca-формы глуховецкого каолина; 3 - кембрийской иллитовой глины; 4 - махарадзевской монтмориллонитовой глины

Выводы. 1. Электрокинетические реакционные барьеры из глин являются перспектив-

147

ной технологией очистки подземных вод от загрязнений. Наиболее эффективным материалом для барьера будут наиболее физико-химические активные глины.

2. Существует возможность направленно изменять свойства защитных глинистых

барьеров, в частности за счѐт изменения pH среды. Так, при pH>pHp.z.c. барьер будет эффективно задеживать катионные загрязнители, а при pH<pHp.z.c. - анионные.

3. В широком диапазоне pH глинистый барьер эффективен против токсикантов, обладающих восстановительными свойствами.

Благодарности. Работа выполнена при частичной поддержке «Программы развития Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова». This work was supported in part by «M.V. Lomonosov Moscow State University Program of Development», and the authors acknowledge support from «M.V. Lomonosov Moscow State University Program of Development».

Литература

1.Королѐв В.А. Теория электроповерхностных явлений в грунтах и их применение / В.А. Королѐв. - М.: Изд-во «ООО «Сам полиграфист»», 2015. - 468 с.

2.Королѐв В.А., Нестеров Д.С., Чернов М.С. Создание защитных экранов на основе регулирования электрического заряда частиц / В.А. Королѐв, Д.С. Нестеров, М.С. Чернов // Комплексные проблемы техносферной безопасности: материалы III Межд. научнопрактической конференции (Воронеж, 11-12 ноября 2016 г.). - Воронеж: Изд-во «ФГБОУ ВО Воронежский государственный технический университет», 2016. - Т. 1. - С. 129-132.

3.Нестеров Д.С., Королѐв В.А. О влиянии pН среды на электрический заряд частиц глинистых грунтов / Д.С. Нестеров, В.А. Королѐв // Геология в развивающемся мире: сб. науч. тр. (материалы IX Междунар. науч.-практ. конф. студ., асп. и молодых ученых): в 2 т. -

-Пермь: Изд-во «Пермск. гос. нац. исслед. ун-т», 2016. - Т. 1. - 541 с. - С. 451-454.

4.Chung Ha Ik and Lee Myung Ho. Coupled electrokinetic PRB for remediation of metals in groundwater /Ha Ik Chung and Myung Ho Lee // Electrochemical Remediation Technologies for Polluted Soils, Sediments and Groundwater: monograph /// Ed. by K.R. Redd y & C. Cameselle. - Published by A John Wiley & Sons. Inc., Hoboken, New Jersey, USA, 2009. - 732 p. - P. 647-660.

-DOI: 10.1002/9780470523650

5.Lynch R. Electrokinetic barriers for preventing groundwater pollution / R. Lynch // Electrochemical Remediation Technologies for Polluted Soils, Sediments and Groundwater: monograph

/// Ed. by K.R. Redd y & C. Cameselle. - Published by A John Wiley & Sons. Inc., Hoboken, New Jersey, USA, 2009. - 732 p. - P. 335-356. - DOI: 10.1002/9780470523650

6.Sposito G. The Chemistry of soils.Second edition / G. Sposito. - Oxford University Press, 2008. - 344 p.

ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»

D.S. Nesterov, V.A. Korolev, M.S. Chernov

ELECTROKINETIC TECHNOLOGIES OF PROTECTIVE BARRIER CREATION

FOR TECHNOSPHERE SAFETY SECURITY

Annotation: The possibility of various clay applications as a material for electrokinetic reactive protective barrier by clay particles’ surface charge regulation is considered. The recommendations for clay barrier appliance against different pollutants are given

Key words: electrokinetic barriers; δ-potential; point of zero charge; clays; technosphere safety

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Moscow State University name M.V. Lomonosova»

148

УДК 504.4.054 (470.21)

Е.А. Заборовская

ВЛИЯНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОВДОРСКОГО ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМБИНАТА НА СОДЕРЖАНИЕ СУЛЬФАТОВ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ

В данной статье приводится анализ влияния деятельности Ковдорского ГОКа на содержание сульфатов в природных водах. Выявлены причины повышенного содержания. Проанализированы основные факторы, влияющие на содержание. Выделены области загрязнения. На основании систематизации были даны рекомендации дальнейших действий

Ключевые слова: поверхностные воды, дренажные воды природные воды, техногенные воды, гидропост, сульфаты, Ковдорский ГОК, карьер, отстойник, хвостохранилище, ПДК

Одной из самых важных проблем в мире является загрязнение водных ресурсов планеты. Так как с развитием промышленности происходит и увеличение техногенной нагрузки на водосборные территории, что ведет к загрязнению поверхностных и подземных вод и делает их не пригодными для питья. В связи с этим, контроль и выполнение природоохранных мероприятий крайне необходим [1, 2].

Объектом исследования являются поверхностные и подземные воды в районе деятельности Ковдорского ГОКа. Предметом исследования является содержание сульфатов в районе воздействия Ковдорского ГОКа.

Цель: анализ влияния деятельности Ковдорского горно-обогатительного комбината на содержание сульфатов в природных водах.

Ковдорский горно-обогатительный комбинат - это крупное горнодобывающее предприятие в Мурманской области, которое введено в эксплуатацию в 1962 году.

Главной рекой района является река Ёна, которая используется для водоснабжения населенных пунктов. Ее притоки: правый - река Можель, левый - река Ковдора. Данные реки испытывают максимальную нагрузку от деятельности предприятия, поэтому на них осуществляется мониторинг состояния вод на 26 оборудованных гидропостах. В процессе работы были классифицированы изучаемые воды по характеру техногенной нагрузки [3]:

-поверхностные природные воды (2 гидропоста);

-дренажные воды (3 гидропоста);

-поверхностные природно-техногенные воды (13 гидропостов);

-поверхностные техногенные воды (8 гидропостов).

Оценка состояния качества поверхностных и подземных вод производилась на основе усреднѐнных данных ежемесячного контроля за 2015 и 2016 года с 26 гидропостов. В пробах воды оценивалось содержание сульфат аниона.

Для оценки вод по результатам химического анализа на содержание сульфатов была построена гистограмма изменений среднегодовых концентраций за 2015 и 2016 года на гидропостах (рисунок). Из гистограммы видно, что в пробах поверхностных природных вод (гидропосты № 1 и № 10) нет превышений ПДК (40 мг/л), а средние значения в 2015 и 2016 годах составляют 5 мг/л.

Максимальная концентрация сульфат анионов отмечена на гидропосту № 16, контролирующего дренажные воды в районе отвалов вскрышных пород, которые содержат сульфидные минералы (пирит, халькопирит, пирротин) [4]. На месте сброса дренажных вод западного ряда водопонижающих скважин карьера, где значения достигают 712,3 мг/л (7 ПДК)

в2016 году и 705,4 мг/л (7 ПДК) в 2015 году.

Вповерхностных природно-техногенных водах, в целом, концентрация сульфат анионов соответствует норме. Однако имеются превышения: в месте сброса дренажных вод карьерного водоотлива в отстойник со значением 335,6 мг/л (3,3 ПДК) (гидропост № 24) в 2015 году и в восточной части территории на гидропосту № 11 зафиксировано превышение до 254,8 мг/л (2,5 ПДК) в 2016 году, где оказывает влияние вторичный отстойник хвостохранилища.

Вповерхностных техногенных водах, на всех гидропостах были зафиксированы

149

большие концентрации сульфатов, которые достигают 294,6 мг/л (2,9 ПДК) в 2015 году на месте сброса вод из отстойника в озеро Ковдоро (гидропост № 18). Повышение обусловлено взаимодействием в карьере воды с породами, которые содержат в своем составе сульфиды, и затем сбрасываются в отстойник [4].

На гидропостах № 19 и № 23 фиксируются превышения до 2,5 ПДК, которые можно связать с накоплением сульфатов во вторичном отстойнике и процессами, происходящими в нем. Значения на проходческом водоотливе карьера хвостов 1 поля (гидропост № 25) превышены до 2 ПДК, так как неочищенные воды приходят в хвосты сразу с производственных процессов.

Таким образом, выявлено, что превышения приурочены к областям воздействия хвостохранилища, отстойников и отвалов вскрышных горных пород, самое максимальное превышение (7 ПДК) зафиксировано в дренажных водах западного ряда водопонижающих скважин.

В результате добычи полезных ископаемых образуются большие массы пылевидных фракций нерудных минералов, оказывающие негативное воздействие. По проекту комбинат ежегодно отправляет в отвал более 9 млн. т/год хвостов. Поэтому, после обогащения на комбинате в хвосты и отвалы идут воды с пульпой, где в больших концентрациях присутствуют сульфаты [5], так как во вскрышных породах установлены акцессорные минералы сульфидов: пирит, пирротин, халькопирит, пентландит, кубанит, сфалерит, валериит и маккинавит. Они очень неустойчивые и легко окисляются, переходят сначала в сульфаты, а затем могут переходить в ряд других минералов. При этом очень сильно загрязняются отвалы, а в следствие атмосферные осадков, попадают в почву, а затем и в подземные воды. А в самом карьере, дренажные воды, которые стекают по бортам карьера, по пути насыщаются данным компонентом и далее сбрасываются в отстойник. Еще нельзя не отметить, что сульфиды, в частности сфалерит, является источником кадмия. Большую опасность сера представляет, как кислотообразующий элемент, в огромном количестве поступающий в окружающую среду при окислении сульфидов. Повышение кислотности вод значительно понижает репродуктивность многих гидробионтов.

150