ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА : ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ В ДОВКІЛЛЯ ТА ВИКОРИСТАННЯ ГІРНИЧИХ ПОРІД ДЛЯ ЗНИЖЕННЯ забруднення важкими металами В УМОВАХ техногенеза

Краткое содержание

Розділ 1. Стан проблеми. Процеси забруднення довкілля важкими металами визначаються не тільки умовами їх надходження, а, головним чином,  інтенсивністю перебігу фізико-хімічних процесів. Ці процеси мають різноспрямований характер. Деякі з них (вилуговування, розчинення, масоперенесення) призводять до підвищення забруднення природних вод. Інші процеси (осадження, іонний обмін, сорбція) за певних умов викликають іммобілізацію важких металів, що може сприяти зниженню забруднення. Необхідно визначити облік масштабів цих процесів, особливо в умовах техногенезу. Вихідною базою для постановки робіт є результати досліджень учених різного профілю. Це насамперед результати досліджень, одержані такими вченими як  Є.М. Сергеєв,   В.Т. Трофімов, Г.А. Голодковська, В. М. Гольдберг, В.О. Мироненко, Г. Томас, Я. Бер, Ж. Фрід, В.М. Шестаков,   В.С. Голубєв,         О.О. Рошаль, А.Є. Орадовська. Значна роль для вирішення поставленної проблеми належить результатам дослідження фізико-хімічної активності  грунтів  як  основи їх поглинальної здатності. Це   роботи К.К. Гедройца,  М.І. Горбунова,              Ф.Д. Овчаренка, Ю.І. Тарасевича, Д.Л. Пінського, Г. Спозіто, О.І. Перельмана,     К.М. Лукашова, В.К Лукашова,  Е.В. Соботовича, Е.Я. Жовінського, А І. Самчука. Вивченням та застосуванням сорбційних властивостей порід щодо важких металів з метою охорони геологічного середовища займався В.І. Сергєєв. На сьогодні найменш дослідженими є процеси сучасного вивітрювання відвальних порід, практично не встановлені механізм та параметри, які визначають закономірності вилуговування  компонентів  з порід, що не дозволило прогнозувати забруднення природних вод. У розв’язанні  задач забруднення природних вод для гірничодобувних районів не вивчались питання фізико-хімічної взаємодії в системі “порода - техногенний розчин”, що знижувало достовірність прогнозу забруднення вод важкими металами. Відсутність еколого-геохімічних критеріїв не дозволяла оцінити  припустиме техногенне навантаження, яке не призводить до забруднення природних вод важкими металами. Для розв’язання проблеми мінімізації та  попередження забруднення необхідні спеціальні дослідження, які є науковою основою нових   технологій з іммобілізації важких металів гірничими породами, особливо для еколого-кризових територій, до яких належать райони гірничодобувної промисловості.

         Розділ 2. Методологія, об'єкти та методи досліджень. Формування забруднення об’єктів довкілля в техногенних умовах пов'язане з перебігом фізико-хімічних процесів, таких як іонний обмін, осадження, розчинення, сорбція, десорбція. Вивчення цих фізико-хімічних процесів проводилося на засадах комплексного підходу. Методологічна основа досліджень полягала в типізації забруднень за складом, джерелами та шляхами надходження, систематизації порід за властивостями, що відображають характерні особливості перебігу фізико-хімічних процесів.  Об'єкти досліджень - породи, підземні, стічні та поверхневі води, ґрунти південного сходу України. Дослідницьким полігоном є Західний Донбас. У запропонованій роботі порода, грунт, вода розглядаються як система хімічних сполук, що перебувають у постійній взаємодії під впливом внутрішніх та зовнішніх факторів системи. Методологічна основа досліджень базується також на паралельному використанні результатів лабораторного моделювання та натурних спостережень. Виконання визначених завдань проводилося за допомогою методів: фізико-хімічного та математичного моделювання, термодинамічних розрахунків (програма TERMO), статистичної обробки на ПЕВМ за програмою STATGRAF, математичного планування   експерименту   (симплекс-гратчастий   метод).        Форми знаходження металів у породах визначено методом постадійних витяжок (Ю. Е. Сает, Н. І. Несвіжська, 1974; Tessier, Campbl, Bisson, 1980, Hеlios-Rubicka Z.,Kusiol I., 1991). Відбір та  підготовка  проб до  аналізів виконувались за  стандартними      методиками (Г. В. Аринушкіна, 1970; Методичний посібник з інженерно-геологічного вивчення гірничих порід, 1968; А. В. Карякін, І. Ф. Грибовська, 1987). Для розв’язання визначених завдань застосовано сучасні фізичні та хімічні методи досліджень: емісійно-спектральний, атомно-абсорбційний, фотометричний, потенціометричний і рентгенівський. Вміст іонів металів: свинцю, міді, цинку, кадмію, хрому, заліза, кальцію, марганцю, нікелю, кобальту у воді, водних та солянокислих витяжках з порід визначався в лабораторії геоекології ДНУ атомно-абсорбційним методом з розчинів у полум'ї та в графітових кюветах на атомно-абсорбційному спектрометрі "Сатурн" і     "Сатурн 3". Чутливість методу, мкг/дм³: Cu - 0,08; Zn - 0,05; Pb - 0,05; Cd - 0,05;  Cr -0,08;  Ni - 0,1; Ca - 0,5. Відносна похибка вимірювань залежно від концентрації металу в розчині не перевищувала 10 %. Запропонована методика оцінки рухомих форм важких металів, які вилуговуються,  дозволила виявити кількісні й якісні закономірності впливу відвальних порід на забруднення поверхневих вод, грунтів та рослин. Створена й впроваджена методика визначення буферних властивостей порід, яка надає можливість з високою точністю та вірогідністю одержати відомості про захисні властивості геологічного середовища відносно до важких металів. Достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій, сформульованих у дисертації, обґрунтована системним підходом до вирішення екологічних завдань забруднення довкілля, адекватністю отриманих в експерименті результатів натурним спостереженням, перевіркою експериментальних даних на їх репрезентативність, непротиріччям отриманих результатів теоретичним положенням.      

Розділ 3.  Процеси сучасного вивітрювання відвальних шахтних порід та їх вплив на довкілля. Значна кількість промислових відходів в Україні складується у вигляді плоских відвалів, териконів; відходи використовують для створення дамб, гребель, доріг, як сировину для виробництва будівельних матеріалів. Також широко використовують відвальні породи для рекультивації порушених ґрунтів, зокрема з метою сільськогосподарського відтворення земель. Усе це потребує оцінки впливу відходів на об’єкти довкілля. Забруднення від відвалів, хвосто- та шламосховищ надходить  у  природні  води  переважно в процесі інфільтрації атмосферних опадів. Ступінь накопичення в атмосферних опадах компонентів-забруднювачів визначається фільтраційними властивостями матеріалу відходів, складених у відвали, а також фізіко-хімічною стійкістю порід. Стійкість твердих промислових відходів в умовах земної поверхні тісно пов'язана з процесами вивітрювання. Зональні геохімічні закономірності гіпергенезу, що обумовлені режимом зволоження, встановлено в ході лабораторного моделювання і натурних спостережень.

У результаті експозиції порід на денній поверхні за рахунок різкої зміни термодинамічних умов породи піддаються процесам сучасного вивітрювання практично відразу. У продуктах вивітрювання вивчали найбільш рухому водно-сольову складову. Модельні експерименти проводилися для  проб  порід з відвалів, ділянок рекультивації, а також для проб, які були відібрані з різної глибини і знаходилися на поверхні різний за тривалістю час. Літологічне, мінералогічне і хімічне дослідження відвальних  порід і відходів вуглезбагачення Західного Донбасу показало, що вони складаються з дрібнозернистих піщаників (5-10%), алевролитів та алевритових глин (18-32 %), глинистих порід (38-40%), вуглистих алевролитів (15-21%), піритових та карбонатних конкрецій (5-10%). У відходах вуглезбагачення знайдено такі мінерали: каолініт (18-30%), гідрослюда (36,5-56,0%), мусковіт (1,4-1,8 %), кварц (2,7-9,7 %), карбонат (2,9-3,0 %), пірит (до 5%).     За результатами моделювання, що включає одноразове і послідовне вилуговування хімічних компонентів з відвальних порід при різному співвідношенні твердої і рідкої фази, встановлено, що в процесі вивітрювання відбулося хімічне та мінералогічне перетворення відвальних порід. За сольовим складом і кислотно-лужним показником водної фракції породи умовно можна розділити на дві групи. Одна з них має  рН водної фракції, що дорівнює     6,8-8,4; інша - рН = 2,8-4,3. Породи відрізняються величиною солевмісту, що позв'язано з кількістю іонів SO₄^2- ,  Na⁺,   Mg ²⁺.   Для порід з кислою реакцією водної фракції кількість цих іонів у три рази вища. Породи відрізняються як кількісним, так  і якісним складом речовини, яка вилуговується.

Висновки, отримані за результатами вилуговування у модельних експериментах, перевіряли в натурних умовах на типових ділянках, які відрізняються часом експозиції порід на денній поверхні, ландшафтними умовами і літологічною будовою. Спостереження протягом трьох років за зміною хімічного складу порід, відібраних на дамбах і ділянках рекультивації, показали, що закономірності розподілу й виносу компонентів з порід у натурних умовах не відрізняються від модельних експериментів.

На основі хімічного складу водно-сольового комплексу, отриманого за даними модельних експериментів і натурних спостережень, а також аналізу змін у поглинальному комплексі порід запропоновано механізм сучасного вивітрювання відвальних порід, який дозволяє виділити два типи процесу вивітрювання  і запропонувати індикатори для кожного з них (табл. 1). Окислювання піриту,  розкладання марказиту і сидериту (II тип вивітрювання) доведено виявленням таких мінералів:  ярозиту, глокериту, алуніту, епсомиту, гіпсу, мірабіліту, а також великої кількості рухомих форм заліза, марганцю, цинку, нікелю, кобальту.

         Винесення солей, що вилуговуються (y), лінійно залежить від об'єму розчинника (x) до співвідношення “т : р” = 1:5: y = 0,60x + 0,19 (І тип),                   y = 0,75x + 0,29 (ІІ тип). Винесення солей на другій стадії буде вищим, ніж на першій за рахунок утворення додаткової кількості сульфатних сполук.

Установлено, що  в процесі сучасного вивітрювання з порід у природні води надходять такі мікроелементи: Fe, Mn, Zn, Ni, Co, Cr, Pb, Cd. Одержано кількісний показник, який характеризує інтенсивність їх вилуговування. За цим показником елементи можна розташувати в такий ряд: Mn > Cu > Zn > Ni > Fe > Pb > Cr > Cd > Co. Винесення мікроелементів з порід залежить від типу вивітрювання. Через підвищення кислотно-лужного показника порового розчину в процесі вивітрювання порід за другим типом кількість металів, які надходять у довкілля, збільшується  в 4-20 разів. Більшою мірою з підвищенням кислотності зростає рухомість Fe, Ni, Co, Mn.

Залежність маси винесених мікроелементів   (y) від  об’єму розчинника (x) апроксимується  рівняннями: y(Pb)=15x+0,8;  y(Cr) = 18,8x + 0,95;  y(Fe)=30x+0,9;  y(Co)=11x+1,2; y(Cu)=19x+7;  y(Ni)=26x+1,6;   y(Mn)=39x+1,2;   y(Zn)=38x+0,27;    y(Cd)=44x+1,1.Одержані закономірності процесу вилуговування дають можливість обґрунтовано прогнозувати надходження солей і мікроелементів до геологічного середовища на період, який відповідає встановленню термодинамічної рівноваги з поглинаючим комплексом. Послідовне підвищення об’єму води, що діє на відвальні породи, приводить не тільки до зростання маси солей, що вилуговуються, але й до зміни якісного складу фільтрату за рахунок обмінних реакцій.

Для прогнозування винесення елементів  з відвальних порід важливою є залежність розподілу компонентів-забруднювачів від варіантів складування порід. У разі перекриття породи ізолюючим від дії атмосфери шаром, рН порового розчину породи є близьким до нейтрального; глибинні розчини мають більшу насиченість солями, ніж ті, що знаходяться під ізолюючим шаром. З порід виноситься, головним чином, залізо й цинк у кількості 85 % від загального винесення, а 15 % припадають на марганець і свинець. Там, де порода не перекрита ізолюючим шаром, поровый розчин має кислу реакцію, тип розподілу мікроелементів техногенно-акумулятивний з максимумом у шарі 0,0-0,1 м. У цьому шарі валовий вміст металів досягає     14 мг/кг, а кількість рухомих форм металів у породі становить, %: Ni - 100, Cu - 40, Mn - 60. За другим типом вивітрювання виноситься більша у 1,7 рази маса металів, ніж за першим, і представлені вони елементами другого і третього класу токсичності.