ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2007, № 2, с. 137-142
УТИЛИЗАЦИЯ ^^^^^^^^^^
И ЗАХОРОНЕНИЕ ОТХОДОВ
УДК 621.039.7:628.58
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСТВОРА КРЕМНЕВОЙ КИСЛОТЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ ЗАВЕСЫ В ПЕСЧАНОМ ГОРИЗОНТЕ
© 2007 г. Е. П. Каймин*, Е. В. Захарова*, Л. И. Константинова*, А. А. Зубков**, В. В. Данилов**
*Институт физической химии и электрохимии им. АН. Фрумкина РАН **ФГУП "Сибирскийхимический комбинат", г. Северск Поступила в редакцию 09.09.2006 г.
Исследована возможность применения в качестве материала для создания противофильтрационной завесы в водонасыщенном песчаном горизонте раствора кремневой кислоты, полученного путем кислотного разложения уртита. Разработана технология получения такого раствора. Создан опытный участок противофильтрационных завес в районе наземных хранилищ радиоактивных отходов Сибирского химического комбината.
ВВЕДЕНИЕ
Для предотвращения распространения токсичных и радиоактивных элементов с природными водами и защиты окружающей среды в районах расположения наземных хранилищ отходов применяют барьеры различного типа, обладающие противофильтрационными и противомиграцион-ными свойствами [2, 4, 5]. Один из вариантов - создание непроницаемого для загрязненного потока барьера из полимерного геля, формирующегося непосредственно в поровом пространстве породы путем закачки жидкого полимера, который затем превращается в гель [7]. Нагнетаемая композиция по своей вязкости и плотности близка к воде, что обеспечивает ее распространение в объеме породы.
Для практического использования в широком масштабе в качестве композиции для защитной завесы перспективно применение алюмосиликат-ных гелей, для получения которых можно использовать продукты кислотного разложения бесполевошпатовых нефелиновых пород группы ийолита - уртита. Породы этой группы распространены на месторождениях Кольского полуострова и Кемеровской области [3], где добываются для получения глинозема. В результате работы горно-химических предприятий образуются отходы, содержащие нефелин, которые также можно использовать для получения ба-
рьерных композиций. Количество таких отходов составляет тысячи тонн в год.
Цель данной работы - определение возможности использования кислоторастворимых продуктов разложения бесполевошпатовых нефелиновых пород в качестве композиции для противофильтрационной завесы в песчаном грунте; анализ результатов, полученных при проведении опытных операций по созданию участка завесы на полигоне Сибирского химического комбината.
РЕЗУЛЬТАТЫ
ЛАБОРАТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для проведения работы использовали пробу бесполевошпатовых нефелиновых пород Кия-Шалтырского месторождения, поставляемых на Ачинский глиноземный комбинат. Химический состав отобранной пробы изучен рентгенофлуо-ресцентным методом на спектрометре фирмы "Philips" (табл. 1). По минеральному составу: 70% нефелина, 15% авгита и эгирин-авгита, 5% роговой обманки, лепидомелана, 5% апатита, 5% вторичных минералов (пирит, карбонаты, пектолит), проба близка уртиту.
Пробу измельчали на шаровой мельнице и разлагали азотной или серной кислотой с концентрацией 5-20%. Кислотная обработка приводит к образованию растворов, содержащих ионы алюми-
Таблица 1. Химический состав пробы нефелиновых пород Кия-Шалтырского месторождения, использованной для получения кольматирующего раствора
Компоненты SiO2 TiO2 AI2O3 Fe2O3 MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 S п.п.п.
Содержание, % 42.35 0.38 26.14 4.42 0.08 1.41 8.94 10.58 2.84 0.44 0.18 1.97
Таблица 2. Содержание основных элементов в растворе при кислотном разложении уртита
Элементы Si Al Na Mg Ca K Fe
Содержание, г/л 13.3-19.1 12.8-18.2 2.0-4.5 0.05-0.07 0.05-0.2 0.6-1.6 0.1-0.23
ния, щелочные и щелочно-земельные элементы, а также ортокремневую кислоту (табл. 2).
Характерная особенность водных растворов ортокремневой кислоты - полимеризация и геле-образование, скорость которых зависит от концентрации кремния (рис. 1), значения рН (рис. 2) и температуры.
Присутствующий в растворе ион алюминия адсорбируется на поверхности кремнезема в процессе формирования геля. Вследствие большого химического сродства между этими элементами, происходит образование соединения между гелем кремневой кислоты и гидратированным алюминием - кремнеалюмогеля, имеющего низкую растворимость (табл. 3).
Исследуемый кремнеалюмогель имел примерно эквимолярное соотношение кремния и алюминия ^ : А1 ~ 1 : 1). В такой алюмосиликатной структуре не образуется непрерывной кремнеземной сетки. Когда ионы алюминия удаляются из подобной структуры кислотой или щелочью, то часть кремнезема также переходит в раствор в виде кремневой кислоты (в кислой среде) или силикат-ионов (в щелочной среде) [1]. Если соотношение Si : А1 превышает 2 : 1, то образуется непрерывная сетка кремнезема, которая остается неизменной после того, как ионы алюминия удаляются. Таким образом, для уменьшения растворимости кремнеалюмогеля можно вводить в нефелиновый раствор добавки, содержащие кремнезем. Однако поскольку растворимость кремнеалюмогеля составляет сотые доли процен-
та, то, вероятно, усложнение технологии получения композиции для завесы нецелесообразно.
Для практического применения нефелинового раствора в качестве композиции для завесы технология его получения должна обеспечивать:
• высокую степень использования исходного сырья;
• достаточный объем раствора с единицы сырья;
• получение нефелиновых растворов с заданными свойствами (вязкость, значение рН);
• контролируемое время гелеобразования в поровом пространстве.
Все эти параметры можно регулировать, варьируя концентрацию кислоты, температуру процесса разложения, степень помола породы, соотношение кислоты и породы. Кроме того, необходимо учитывать влияние геолого-геохимических условий на формирование кремнеалюмогеля. Экспериментально разработанная технология была использована при получении опытной партии нефелинового раствора для создания участка завесы в реальных условиях.
ОПЫТНЫЕ РАБОТЫ ПО СОЗДАНИЮ
ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЗАВЕС
Участок для проведения работ выбран на территории промплощадки Сибирского химического комбината, в районе расположения наземных хранилищ отходов. Участок сложен переслаива-
Концентрация Si, г/л 18
4 2
0 50 100 150
Время формирования кремнегеля, сут
Рис. 1. Зависимость времени формирования кремнегеля от концентрации кремния в растворе при: 1 -18°С, 2 - 6°С.
PH
Рис. 2. Зависимость времени формирования кремнегеля от рН раствора (концентрация кремния ~9.1-9.6 г/л) при: 1 - 18°С, 2 - 6°С.
ющимися мелкозернистыми песками и суглинками террасовых отложений р.Томь.
Опытные работы проводили в два этапа:
• завесу создавали в зоне аэрации, моделируя протечку растворов из поверхностных хранилищ отходов;
• завесу создавали в первом от поверхности водоносном горизонте, моделируя распространение загрязненных вод в пористой песчаной среде.
Для оценки изменения фильтрационных свойств песков зоны аэрации пробурены две скважины, оборудованные фильтрами на глубине от 1.5 до 2.5 м; расстояние между скважинами составляло 1.6 м. В каждую скважину закачано по 1 м3 воды для обводнения песков зоны аэрации, а через 1 ч после обводнения в обе скважины закачано по 0.7 м3 нефелинового раствора. Через 48 ч, необходимых для формирования кремнеалюмо-геля (12°С), между скважинами сооружен шурф 1, и на расстоянии 2 м от нагнетательной скважины - шурф 2 (рис. 3). Близость обоих шурфов и выдержанность геологического разреза участка позволяют предполагать, что грунты зоны аэрации под шурфами первоначально имели идентичные фильтрационные свойства. На дно шурфов были установлены цилиндрические замерные емкости. Дно шурфов вокруг емкости цементировалось. Радиально, на расстоянии 10 и 20 см от стенок замерных емкостей, устанавливались пьезометрические трубки на глубину контакта цемента и песка. Замерные емкости обоих шурфов заполняли раствором хлорида натрия (2 г/л), что имитировало поступление загрязненных вод через экран хранилища. Выбор хлорид-иона для проведения опытов связан с его высокой миграционной способностью и низкой концентрацией в природных водах участка (10 мг/л). Затем выпол-
Таблица 3. Растворимость основных компонентов кремнеалюмогеля, полученного при полимеризации нефелинового раствора, в воде с различным рН (время контакта 14 сут, 20°С)
Величина рН Растворимость, %
ЗЮ2 М2О3
2 0.0094 0.027
6 0.0032 0.015
12 0.016 0.020
нена серия замеров уровней в емкостях и пьезометрах обоих шурфов (рис. 4). Через 30 ч, когда уровень жидкости в шурфе 2 снизился практически до нуля, а в шурфе 1 на 4.5 см, опыт был прекращен, и под шурфами через 10 см отобраны пробы на анализ содержания хлорид-иона в меж-поровой жидкости.
Для расчета коэффициента фильтрации использовали формулу Л.С. Лейбензона [6] для налива в шурф, имеющий плоское дно:
к = 0.256,
г 0 Я 0
(1)
где К - коэффициент фильтрации грунта, м/сут; ) - расход поступления водного раствора хлорида натрия через дно замерной емкости, м3/сут; г0 -радиус замерной емкости, м; - превышение уровня в замерной емкости, м.
Правомерность использования данной формулы обусловлена тремя факторами: грунт, в котором создавалась противофильтрационная завеса, предварительно был обводнен; сравнительно небольшой масштаб проведения опыта; дно шурфа
Замерные емкости
Скважины для нагнетания нефелинового раствора
Противофильтрационная завеса
Рис. 3. Расположение скважин и шурфов, сооруженных для оценки изменения фильтрационных свойств песков зоны аэрации при организации противофильтрационной кремнеалюмогелевой завесы.
Рис. 4. Графики изменения уровней жидкости при проведении работ: а - для шурфа 1, б - для шурфа 2. (Графики изменения уровня: в замерных емкостях - 1; в ближних пьезометрах - 2; в дальних пьезометрах - 3.)
перекрыто слоем цемента, обеспечивающего его надежную гидроизоляцию от контакта с дневной поверхностью.
Расход поступления раствора хлорида натрия в грунт, в котором сформировалась противофиль-трационная завеса, рассчитывался как разность между общим расходом и расходом фильтрации по ослабленной зоне контакта м
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.