Зкологмгескме технологий м мнноб^имм
УДК 504.062.4/574.24
БЕНТОНИТОВЫЕ ГЛИНЫ В РЕШЕНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ЗАУРАЛЬЯ
Л. В. Мосталыгина,
доцент, ГОУ ВПО «Курганский государственный университет», analyt@kgsu.ru
С. Н.Елизарова,
доцент, ГОУ ВПО «Курганский государственный университет», analyt@kgsu.ru
А. В. Костин
старший преподаватель, ГОУ ВПО «Курганский государственный университет», analyt@kgsu.ru
В статье рассмотрены вопросы, связанные с исследованием бентонитовой глины Зырянского месторождения в качестве сорбента для повышения качества воды, почвы, а также здоровья человека.
In the article questions are connected with research of bentonitic clay of Zyrian-sky's deposits of Kurgan region as a sorbent for increasing of water, earth and human health quality.
Ключевые слова: бентонитовая глина, экология, сорбент, вода, почва, желудочный сок, органические, неорганические вещества.
Keywords: bentonite clay, ecology, sorbent, water, soil, gastric juice, organic, inorganic substances.
Проблемы экологии остаются актуальными для Кургана и области, сохраняется высокий уровень загрязнения атмосферы (сажа, бенз(а)пирен), водоемов, а также почвы. Не решается должным образом проблема утилизации отходов, источником загрязнения окружающей среды остаются свалки отходов.
В качестве природного минерального сорбента, способного изменять негативное состояние объектов окружающей среды и благоприятно воздействовать на организм человека, предлагается использовать бентонитовую глину Зырянского месторождения Курганской области.
Нами проведено комплексное исследование по изучению свойств глин Зырянского месторождения, выявлению физико-химических механизмов их взаимодействия с различными неорганическими и органическими веществами, природными объектами, а также влиянию бентонитовой глины на различные компоненты желудочного сока и дуоденального содержимого человека.
Зырянское месторождение глин содержит 30% от общих запасов всех бентонитовых глин России. В среднем на 74% Зырянские глины состоят из минерала монтмориллонита. Химический состав бентонитов Зырянского месторождения представлен в табл. 1.
Бентонитовая глина Зырянского месторождения имеет ряд особенностей:
1) высокая емкость ионного обмена (цеолиты имеют обменную емкость 40 ммоль эквивалентов (на 100 г твердого вещества), бентониты Зауралья —
Таблица 1
Химический состав ( в % в пересчете на абсолютно сухое вещество) бентонитовых глин Зырянского месторождения
Соединение ЯЮ2 ТЮ2 А12О3 Рв2Оз РеО СаО МёО К2О Р2О5 Ка2О яоЗ- ППП* Всего
Доля, в % 57,37 0,15 19,40 5,97 0,94 1,81 3,01 1,03 0,04 0,78 0,10 9,4 100
ППП* — потери после прокаливания.
Таблица 2 Обменный катионный комплекс Зырянских бентонитов (ммоль эквивалентов)
94,96 ммоль эквивалентов (на 100 г воздушно-сухой глины));
2) основная сумма обменных катионов (90,17%) приходится на кальций и магний (табл. 2), что позволяет отнести Зырянские бентониты к разряду щелочноземельных;
3) преобладание в обменном комплексе магния (табл. 2).
Бентонитовая глина Зырянского месторождения выгодно отличается от других природных сорбентов высокими сорбционными и ионообменными свойствами, уникальностью микроэлементного состава.
Обозначим перспективы использования бентонитовых глин Курганской области:
очистка вод (умягчение, обеззараживание промышленных вод, доочист-ка питьевых вод, очистка подземных вод, удаление нефтепродуктов из вод, очистка сточных вод, обессоливание вод, очистка русла рек);
очистка почв — в местах бывших и действующих свалок, вблизи автодорог, крупных промышленных предприятий нефтезаправочных станции;
очистка воздуха фильтры для улавливания выхлопных газов автомобилей, фильтры для улавливания промышленных предприятий;
использование бентонитовых глин в сельском хозяйстве — грануляция семян, кормов, структурообразование почв, наполнители удобрений, обезза-
раживание фунгицидов, инсектицидов, ядохимикатов, дустов, для повышения урожайности, в том числе в теплицах;
регенерация отработанных масел;
использование бентонитовых глин в медицине (микроэкология, лечение кожных и желудочно-кишечных заболеваний).
Нами изучены возможности использования бентонитовых глин Зырянского месторождения для очистки и доочист-ки природной и водопроводной воды; очистки сточных вод от ряда ионов; очистки и рекультивации почвы, в том числе в районе свалок. Перспективным направлением является изучение возможностей ее использования в медицине (в том числе для очистки организма от тяжелых металлов) и в косметологии.
Чем же обусловлены уникальные свойства бентонита как высокоэффективного сорбента? Монтмориллонит — основной минерал глины построен из слоистых пакетов, между которыми существуют связи, но очень слабые. В свободное пространство между пакетами могут проникать катионы, способные к обмену с другими катионами, и молекулы воды. Благодаря этому глина имеет высокую набухаемость в воде и высокую емкость ионного обмена (например, возможен обмен между ионами кальция и магния глины и ионами тяжелых металлов из внешней среды). Слои могут расходиться и тогда возможно поглощение, например, органических молекул либо неорганических катионов (Ка+, Н+). Поверхность глины заряжена отрицательно, и она способна притягивать вещества к поверхности (электростатические силы взаимодействия), а также сорбировать на своей поверхности нейтральные молекулы за счет высокой удельной по-
Са2+ Мё2+ К+ X Коэффициент щелочности
27,89 30,18 5,46 0,87 64,40 0,11
верхности вследствие пористой структуры минерала [1].
Первое направление исследований — изучение возможности очистки воды бентонитовой глиной от загрязняющих веществ.
В бассейне Тобола многолетние среднегодовые концентрации нефтепродуктов колеблются от 2 до 12 ПДК [2], фенолов — от 3 до 9 ПДК, соединений меди — от 1 до 16 ПДК, железа общего от 5 до 15 ПДК. Снижение водности рек в бассейне Тобола в результате возможного потепления климата в сочетании с экстремальным загрязнением воды может привести к ухудшению качества речных вод. Прогнозируется увеличение к 2015 г. концентрации в воде нефтепродуктов, азота нит-ритного, соединений меди цинка на 40—60%. Качество воды основных водотоков Курганской области остается неудовлетворительным и в настоящее время. В 2008 г. выявлено 13 случаев высокого загрязнения водных объектов по марганцу и азоту. Загрязняющие вещества в наибольшем количестве поступают от очистных сооружений города Кургана в реку Тобол. На очистных сооружениях отсутствуют системы обезмарганцевания, обезжелезивания и умягчения. Подземные воды Курганской области также широко используют для централизованного водоснабжения. Химический состав подземных вод меняется в восточном направлении. Минерализация изменяется от 1 г/л на западе до 10 г/л на востоке области, наблюдается одновременно и рост содержания микроэлементов, в первую очередь, бора и брома, концентрация которых превышает ПДК, установленные для питьевых вод. Наиболее часто встречается повышенное содержание Ее и Мп [3]. Таким образом, существует проблема водоподготовки.
Ставились две задачи: изучение возможности использования бентонитовых глин в процессе водоподготовки (очистка воды реки Тобол и подземных вод); исследование возможности использования бентонитовых глин для доочистки водопроводной воды. Для изучения возможностей глины погло-
щать тяжелые металлы готовились растворы с содержанием железа и марганца, превышающим ПДК в 10 раз. Через двадцать граммов глины в состоянии естественной влажности пропускали пятьсот миллилитров модельного раствора (соотношение глина: модельный раствор 1:25). При этом концентрация железа и марганца на выходе фильтрующего материала не превышала ПДК. Бор и бром фильтрующий глиняный материал задерживал на 61 и 70% соответственно.
В воде реки Тобол после очистки бентонитовой глиной уменьшалось содержание ионов железа, марганца, меди, цинка и мышьяка, нефтепродуктов, незначительно понижалась жесткость. Вода очищалась и от механических примесей.
Второе направление исследований — возможности очистки сточных вод гальванических производств с использованием бентонитовой глины Зырянского месторождения. Сточные воды гальванопроизводств содержат высокоопасные формы соединений тяжелых металлов, некоторые из которых относятся к I классу опасности (являются канцерогенными, то есть вызывают развитие онкозаболеваний). Существующие методы очистки сточных вод зачастую не снижают содержание тяжелых металлов до необходимых величин, либо являются трудоемкими и дорогими [4]. Поэтому разработка экспрессного и эффективного метода очистки сточных вод гальванопроизводств от соединений тяжелых цветных металлов остается актуальной задачей.
Изучено влияние бентонитовой глины Зырянского месторождения на концентрацию ряда тяжелых металлов — цинка, железа и меди в сточной воде гальванического производства ОАО «Курган-химмаш» и показано, что концентрация железа снизилась в 19 раз, цинка — в 2,5 раза, меди — в 16,7 раз. В отношении ионов хрома проведены более детальные исследования [5], в частности, в качестве сорбента использовали активированную карбонатом натрия неактивированную глину, а также глину с добавками коагулянтов — солей железа (III) и алюминия. Степень очистки глиной от
ионов хрома (III) при концентрации 0,1мг/мл составляет 56%; активированной глиной — 69% . Увеличение концентрации хрома в два раза ведет к уменьшению степени очистки в 1,6 раз для обоих сорбентов. Комбинированный метод с использованием бентонитовой глины в качестве сорбента и хлорида железа (III) или сульфата алюминия в качестве коагулянтов, обеспечивает степень очистки модельных растворов от ионов трехвалентного хрома до 92 и 94% (для солей алюминия и железа соответственно). Оптимальным массовым соотношением металл коагулянта:глина в обеих случаях является 1:4000. Минимальное время осаждения суспензии бентонитовой глины, равное 4 минутам, наблюдается при прибавлении коагулянта — хлорида железа (III). Сорбционный метод на основе бентонитовой глины менее эффективен. Таким образом, смесь, состоящую из 1 массовой части железа (III) (в виде
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.