Геохимические барьеры и защита окружающей среды

Особой разновидностью сорбционных  процессов является процесс обменной сорбции – когда адсорбент, поглощая какие-либо ионы из окружающего раствора, отдаёт эквивалентное количество ранее  сорбированных им ионов другого вещества. Процессы обменной сорбции широко развиты в почвах (при этом участие в них обычно принимают только катионы). Совокупность присутствующих в почве веществ, способных к обменной сорбции, называется почвенным поглощающим комплексом (ППК). Он в основном состоит из гумусового вещества и глинистых минералов.

Наиболее распространённые сорбенты в зоне гипергенеза :

•глины и глинистые  минералы;

•гумус;

•рассеянное органическое вещество;

•битумы;

•торф;

•бурые угли;

•гидрооксиды Fe, Al, Mn;

•гели кремнезёма;

•мицеллы коллоидов;

•частицы аэрозолей.

Классическим примером сорбционного барьера являются краевые части  болот (где этот барьер обычно совмещается  с глеевым, иногда также с кислым). Торф и богатые гумусовым веществом болотные почвы активно сорбируют металлы – U, Be, Ge, Mo, Pb, Zn и др. Концентрации урана в торфяниках могут превосходить концентрацию в питающих водах в 10 000 раз. Таким путём могут формироваться промышленные месторождения урана.

В нефтегазоносных областях сорбционные барьеры возникают  в результате процессов окисления  нефтей и превращения их в полужидкие и твёрдые битумы. Здесь сорбционный барьер нередко совмещается с сероводородным. Дело в том, что в этом процессе окисление нефтей сопровождается восстановлением сульфатной серы в результате деятельности бактерий. Здесь концентрируются U, V, Ni, Co, Mo, Cu, Zn и другие металлы.

Очень высокой сорбционной  способностью обладает гумусовое вещество почв, особенно чернозёмных и каштановых. Поэтому почвенный поглощающий  комплекс тоже может выступать в  роли сажного геохимического барьера. На этом барьере идёт активное поглощение катионов металлов (Ca, K, Pb, Zn, Cd, Hg и др.), а также некоторых комплексных анионов (содержащих As, P, Se, Mo, V). Если бы вся потенциальная ёмкость поглощения металлов ППК реализовалась только за счёт поглощения токсичных тяжёлых металлов, то ПДК по Pb, Hg, Cd могли бы быть превышены в почвах в сотни и тысячи раз. На деле этого обычно не происходит потому, что здесь столь же активно поглощаются и вполне «безобидные» Ca, K, Mg. А так как их кларки на несколько порядков выше, то основной объём сорбированного вещества приходится именно на эти элементы. Но в условиях техногенного загрязнения формирование повышенных концентраций токсичных элементов на почвенном сорбционном барьере тоже возможно, хотя и не в столь гигантских масштабах.

Очень важную роль в зоне гипергенеза играют два сорбционных макробарьера. Первый – на путях стока речных вод в мировой океан. Здесь идёт массовое осаждение мелких принесённых реками глинистых частиц и мицелл коллоидов. А ведь и те, и другие, обладают высокой сорбционной способностью и связывают большое количество атомов токсичных элементов. Адсорбционные процессы могут приводить к удалению многих ионов из природных вод. Адсорбирующая способность глинистых минералов, особенно монтмориллонита, очень высока. Химическая адсорбция ионов калия монтмориллонитов может приводить к образованию иллита. Многие комплексные ионы, например, содержащие мышьяк и молибден, а также ионы тяжелых металлов, адсорбируются на коллоидных частицах и удаляются из раствора, впоследствии накапливаясь в осадочных железных и марганцевых рудах. Так происходит систематическое обезвреживание гидросферы. Если бы не было этого явления, целый ряд биологически вредных элементов накапливался бы в воде океанов, т.к. значительное количество таких элементов как медь, селен, мышьяк, свинец освобождаются в больших количествах и в процессах выветривания и эрозии и попадает в природные воды. Таким образом, этот барьер выполняет важнейшую геохимическую функцию, способствуя естественному самоочищению водных систем Земли. К сожалению, масштабы техногенного загрязнения в наше время возрастают настолько, что даже ёмкость этого крупнейшего барьера нередко оказывается превышенной, и сама по себе природа с очисткой загрязнённого речного стока не справляется.

Второй подобный макробарьер возникает при воздушной миграции благодаря концентрации сорбируемых компонентов аэрозольными частицами. К сожалению, такой механизм очищения атмосферы является лишь итоговым результатом достаточно продолжительного процесса. А в течение сравнительно небольших промежутков времени действие аэрозольного барьера, напротив, приводит к увеличению масштабов переноса загрязнителей и возникновению их повышенных концентраций в районах размещения промышленных предприятий.

Сорбционные барьеры играют важную роль в формировании геохимической  специфики различных оболочек нашей  планеты. Наиболее наглядно это видно  из сравнения геохимии натрия и калия. Два элемента с очень похожими химическими свойствами, одинаковым кларком, одинаково ведущих себя в процессах ионной миграции. Но вот в водах мирового океана содержание натрия намного выше. Почему? Дело в том, что калий очень активно связывается в сорбционных процессах, и потому лишь незначительная его доля поступает с ионным стоком в мировой океан. А натрий, наоборот, в большей своей части выносится именно туда.

 

Термодинамические барьеры (H)

 

Они возникают на участках резкого уменьшения миграционной способности  химических элементов в результате изменения на путях движения миграционных потоков температуры или давления (или обоих этих факторов одновременно). В целом они весьма разнообразны по механизму и по направленности действия.

Такие барьеры широко распространены в гидротермальных и гипергенных системах.

Термодинамический барьер, например формируется в местах резкого  понижения давления СО₂ в подземных водах, на нем осаждаются кальцит и другие карбонаты:

 

Са(НСО₃)₂→СаСО₃↓+Н₂О+СО₂↑

раствор тв. Газ

Так образуются кальцитовые  гидротермальные жилы, травертины в  местах выхода на земную поверхность  углекислых источников, кальцитовые  горизонты в почвах и осадочных  породах и т. д. Понижение давления СО₂ обусловлено различными причинами – тектоническими подвижками и раскрытием полостей на глубине, разгрузкой вод на поверхности и т.д., но геохимическая сущность явления остается той же.

Полагают, что образование  урановых и прочих руд также происходит в результате понижения давления СО₂ в гидротермах. Растворимость многих минералов понижается с уменьшением температуры, которое также может быть причиной формирования термодинамического барьера. Возникают барьеры и при резком повышении Р иТ.

 

сульфатный (I) и карбонатный (К) геохимические барьеры

 

Во многих районах глубинные  воды артезианских бассейнов пердставляют собой хлоридные рассолы, содержащие ионы хлора (CI^-), натрия (Na⁺), щелочноземельных металлов (Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺, Mg²⁺). На крыльях артезианских бассейнов, а также по зонам разломов эти глубинные рассолы поднимаются с карбонатными и сульфатными водами. В результате осуществляются ионные реакции – из вод осаждаются сульфаты и карбонаты щелочноземельных металлов.

На сульфатном барьере

Ca²⁺ из хлоридного рассола +SO₄^2- инфильтрующихся вод →CaSO₄

 

Ba²⁺ то же →BaSO₄

Sr²⁺ то же →SrSO₄

 

На карбонатном барьере

Ca²⁺ из хлоридного рассола +СO₃^2- инфильтрующихся вод →CaСO₃

         Ba²⁺ то же →BaСO₃

Sr²⁺ то же →SrСO₃

 

Так происходит огипсование пород – накопление в них гипса (CaSO₄Ÿ2Н₂О), кальцитизация пород (CaСO₃). Образуются жилы кальцита, гипса, барита (BaSO₄), целестина (SrSO₄), стронцианита (SrСO₃), витерита (BaСO₃).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Техногенные геохимические барьеры и защита окружающей среды

 

Разработка методов улучшения  экологической ситуации до последнего времени проводилась в основном путем совершенствования технологий производства (создание безотходных технологий, переработка отходов, совершенствование систем очистки сбросов и выбросов и т.д.), что, несомненно, является важным и перспективным направлением. Наряду с этим в последние десятилетия для защиты окружающей среды от загрязнения наметилась тенденция использования геохимических методов. Большую роль в этом сыграло исследование процессов техногенной миграции элементов и введение А.И. Перельманом понятий "геохимический барьер" и "техногенный геохимический барьер". Это участок, где происходит резкое уменьшение интенсивности миграции и, как следствие, концентрация элементов.

Сущность методов защиты окружающей среды от загрязнения  с помощью геохимических барьеров заключается в переводе загрязняющих компонентов в малоподвижные формы. При этом возможно использование как существующих природных геохимических барьеров, так и целенаправленное создание техногенных барьеров. В качестве материалов для создания барьеров в зависимости от состава загрязнителей могут применяться природные образования (грунты, горные породы и т.д.) или иные вещества, например, производственные отходы. В ряде случаев локализация загрязнителей может осуществляться за счет учета природных геохимических особенностей грунтовой толщи при выборе участков складирования или сброса отходов. Опыт работы показал возможность использования барьеров в различных ситуациях.

Очистка сточных  вод от взвешенных частиц. Для очистки дражных стоков от взвешенных частиц на месторождении алмазов в Пермской области предложено использовать грунтовые фильтры, укладываемые в русле реки. В качестве материала для фильтров использовались дражные отвалы. Опытные натурные работы показали, что в зависимости от длины пути фильтрации концентрация взвешенных частиц в стоках может снижаться в десятки и сотни раз.

Нейтрализация кислых стоков. Шахты Кизеловского угольного бассейна сбрасывают практически без очистки в гидрографическую сеть кислые (рН=2-4) высокоминерализованные сульфатные воды, имеющие в составе повышенные содержания железа, алюминия, тяжелых металлов. Нейтрализацию кислых шахтных вод возможно проводить с использованием отходов щелочного состава. Лабораторные работы показали, что при использовании щелочных отходов содового производства рН шахтных вод можно повышать до нейтральных значений. При этом содержание загрязнителей снижается до допустимых концентраций.

Снижение интенсивности  загрязнения подземных вод в  районах складирования шахтных  отвалов. Отходы в угледобычи в Кизеловском бассейне интенсивно загрязняют подземные воды. В районах породных отвалов они имеют низкие значения рН, повышенную минерализацию, а также высокие содержания сульфатов, железа, алюминия, тяжелых металлов. Для нормализации состава подземных вод в качестве реагента предложено использовать соединения бария, а также дробленые карбонатные породы, укладываемые в траншеи в зоне стока с отвалов. Натурные исследования показали, что в результате применения метода на опытном участке водородный показатель подземных вод повысился с 1,8 до 6,4 и сохранял близкие значения в течение года. Существенно снизились минерализация воды с 24 до 3 г/л, а также содержание основных загрязняющих компонентов.

Снижение содержания сульфатов в технических водах. На Холбольджинском угольном разрезе (Бурятия) использование для полива технической воды, большие запасы которой сосредоточены в выработанном карьере, затруднено повышенным содержанием в ней сульфатов – до 1200 мг/л. Для снижения содержания сульфатов использовались соединения бария. В результате опытных натурных работ содержание сульфатов снизилось до 440 мг/л (при максимально допустимой концентрации 500 мг/л). Содержание остальных компонентов не превышало нормативных значений.

Снижение сульфатной агрессивности подземных вод. При планировочных работах на промплощадке Губахинского химического завода использовались породы отвалов угольных шахт Кизеловского бассейна, характеризующиеся высоким содержанием различных форм серы. В результате подтопления в насыпных грунтах, на отметках выше заложения фундаментов, сформировались подземные воды, обладающие сульфатной агрессивностью к бетону. Снижение содержания сульфатов в подземных водах проводилось путем применения реагентов, содержащих барий. Проведенные на площадке опытные натурные работы показали, что в результате применения метода подземные воды, обладавшие средней и сильной сульфатной агрессивностью, становились неагрессивными по отношению к бетону. Положительный эффект сохранялся в течение двух лет наблюдений.

Защита подземных  вод от загрязнения в районах  шламохранилищ. Складирование отходов Пашийского металлургическо-цементного завода привело к загрязнению подземных вод в районе действующего шламохранилища. В пульпе с щелочной реакцией среды выявлены повышенные содержания Cu, Cd, Pb, Zn, Ni, Mo, As, Ti, значительно превышающие ПДК. Металлы образуют устойчивые комплексы с органическими веществами, подвижные в щелочной среде. Совместно с лабораторией ОГС МГУ предложено создание комплексного, многослойного экрана для снижения интенсивности загрязнения подземных вод. Основной слой, выполняющий функцию перехвата загрязнителей, предлагается создавать из смеси торфа и пиритных огарков, что позволяет связывать металлы в сульфиды в анаэробных восстановительных условиях. Лабораторные исследования показали, что применение метода обеспечивает защиту подземных вод от поступления загрязнителей на весь период запланированной эксплуатации.