Автореферат (1151709), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Б) 2011 г.

Вариант опыта	40 мг/кг	40 мг/кг + диатомит, обработанный Fe3+,+ голубая глина	40 мг/кг + сапропель + CaCO3	НСР05
Содержание мышьяка во всех частях растения (среднее), мг/кг	12,0	1,7	7,4	4,22
Содержание мышьяка в зерне, мг/кг	0,3	0,01	0,1	0,06

Перед началом вегетационного периода 2011 г. и в конце был проведен анализ почвы на содержание подвижных форм мышьяка. Были получены данные, представленные на рисунке 7. За вегетационный период количество подвижных форм возросло, видимо из-за неблагоприятных погодных условий и воздействия корневой системы растений. Смесь №1 прочно закрепляет подвижные формы мышьяка в почве, в варианте с его использованием отмечено наименьшее возрастание подвижных форм за вегетационный период. Смесь №2 также обладает некоторой сдерживающей способностью, количество подвижных форм мышьяка при ее использовании возрастает с 3,5 до 9,2 мг/кг. Резкое возрастание подвижных форм мышьяка происходит в варианте без применения сорбентов с уровнем загрязнения 40 мг/кг, 4,2 до 15,8 мг/кг – в 3,7 раза.

Содержание азота и белка в зерне пшеницы в варианте с диатомитом, обработанным Fe³⁺, и голубой глиной выше, чем в контрольном варианте, что свидетельствует о некотором удобрительном эффекте. Важно, что выполняется одно из требований, предъявляемых к разрабатываемому сорбенту - качество получаемой продукции не ухудшается, в ряде случаев отмечается положительное влияние диатомита, обработанного Fe³⁺, в смеси с голубой глиной на качество сельскохозяйственной продукции.

Рисунок 7 - Содержание подвижных форм мышьяка в почве, мг/кг

С целью оценки эффективности разработанной смеси №1 (диатомит, обработанный Fe³⁺, и голубая глина) на естественно загрязненных землях был проведен микрополевой опыт в г. Скопине Рязанской области на почвах с валовой концентрацией мышьяка 54,5 мг/кг. Для опыта использовалась тест-культура - яровой овес. Сорбент вносился из расчета 10 т/га. Площадь делянок – 2 м², ширина защитных полос – 1м, повторность 3-х кратная.

Варианты полевого опыта: с применением сорбента, контроль (без сорбента).

Разработанный сорбент позволил снизить содержание мышьяка во всем растении в среднем в 5,3 раза, в зерне овса - в 6,5 раз, выращенное зерно соответствовало СанПиН 42-123-4089-86 (табл. 2). На тех делянках, где был внесен разработанный состав сорбента, количество подвижных форм мышьяка в 2,3 раза было меньше по сравнению с делянками, на которые сорбент не вносился.

Таким образом, диатомит, обработанный Fe³⁺,+голубая глина позволяет вырастить на почвах с чрезвычайно опасным уровнем техногенного загрязнения зерновую продукцию качества, соответствующего принятым нормативам.

Дополнительно проведенные анализы почвы показали, что предложенный сорбент не оказывает негативного влияния на агрохимические показатели почвы (содержание фосфатов, железа, рН), что является важным фактором при детоксикации почв сельскохозяйственного назначения, так как качественные характеристики остаются на прежнем уровне.

Таблица 2 - Содержание мышьяка в овсе, коэффициент биологического поглощения, количество подвижных форм мышьяка в почве

На основе теоретических предпосылок и выполненных автором исследований обоснован механизм действия разработанного состава для мелиорации почв, загрязненных мышьяком.

Разработанный сорбент имеет следующий состав: диатомит со слоем трехвалентного железа - 50-60% по массе, голубая каолинитовая глина - 40 -50%.

Гипотетически механизм сорбции подвижных форм мышьяка разработанным сорбентом можно представить следующим образом:

При внесении в почву сорбента образуются нерастворимые арсенаты железа.

Fe³⁺ + AsO₄^3- = FeAsO₄

Fe³⁺ + AsO^3- = Fe(AsO₃)₃

В результате гидролиза в водном растворе мышьяк вновь переходит в растворимое состояние.

FeAsO₄ + H₂O = FeOH²⁺ + H+ + AsO₄^3-

Fe(AsO₃)₃ + H₂O = 3FeOH²⁺ + H⁺ + AsO^3-

Аналогичным действием обладает Al ³⁺ в составе алюмосиликатов голубой глины.

Al³⁺ + AsO₄^3- = AlAsO₄

Al³⁺ + AsO^3- = Al(AsO₃)₃

Анионные формы мышьяка легко восстанавливаются до катионных форм.

AsO^3- + H⁺ + e (электроны органических соединений) = H₂O + As³⁺

В условиях, в которых проводились экспериментальные исследования (кислотность почвы нейтральная или близкая к нейтральной), мышьяк существует в основном в анионных формах. Анионные формы мышьяка при взаимодействии с органическими соединениями, содержащими тиольные группы (SH) восстанавливаются и образуют соединения, где мышьяк проявляет положительную степень окисления от +1, +2 до +3, так как он обладает меньшей электроотрицательностью, чем сера, на этом основано токсическое действие мышьяка. В почве существуют такие органические соединения, и при контакте с почвенной микрофлорой мышьяк может восстанавливаться при взаимодействии с белками, дигидролипоевой кислотой и другими органическими соединениями, содержащими тиольные группы, именно эти формы мышьяка наиболее токсичны.

Катионные формы мышьяка могут быть сорбированы только анионными сорбентами (например, органическое вещество сапропеля), поэтому для предотвращения процесса восстановления мышьяка в сорбенте должен присутствовать сильный окислитель, переводящий мышьяк в окисленную анионную форму. Трехвалентное железо отвечает этим требованиям, так как легко восстанавливается до двухвалентного и тем самым препятствует процессу восстановления мышьяка.

Fe³⁺ + е (электроны органических соединений) = Fe²⁺

2Fe³⁺ + As³⁺ + 3H₂O = 2Fe²⁺ + AsO^3- + 6H⁺

Таким образом, сорбент на основе голубой глины и диатомита содержит как собственно сорбенты анионных форм мышьяка, так и окислители, препятствующие процессам восстановления мышьяка.

Способ приготовления разработанного сорбента в лабораторных условиях: природный диатомит необходимо измельчить до размера частиц не более 2 мм с целью увеличения удельной поверхности сорбента. Хлорид трехвалентного железа следует растворить в дистиллированной воде до получения насыщенного раствора. Измельченный диатомит помещают в раствор хлорного железа на 24 часа, затем надосадочный раствор сливают, а обработанные железом частицы диатомита высушивают до воздушно-сухого состояния. При обработке диатомита расход хлорного железа составляет 0,3 кг на 1 кг диатомита. После обработки масса сорбента увеличивается на 20 %. Голубую глину измельчают до размера частиц не более 2 мм, высушивают до 10-15 % влажности и компоненты смешивают 1:1 по массе.

Изготовление сорбента возможно проводить на заводах по производству удобрений. В ходе изготовления будут задействованы следующие процессы: дробление (диатомита и голубой глины), приготовление раствора хлорного железа, заливка и слив раствора после отстаивания, сушка диатомита после обработки, смешивание компонентов комплексного сорбента.

Технологический процесс внесения сорбента в почву приведен в таблице 3. Подготовленный сорбент лучше вносить весной перед посевом. Его равномерно разбрасывают по поверхности почвы, затем производят дискование или фрезерование для того, чтобы его распределить в почвенном слое.

Таблица 3 - Технологический процесс по внесению в загрязненную почву диатомита, обработанного Fe³⁺, и голубой глины

№ операции	Операции	Технологические параметры	Технические средства
1.	Внесение сорбента	Равномерное разбрасывание сорбента	Машина для внесения удобрений МВУ-8Б
2.	Обработка почвы после внесения сорбента	Дискование в два следа, глубокое фрезерование	Борона БДТ-3,0; фреза ФБ-2,0; бульдозер ДЗ-42Г;

При расчете экономической эффективности сравнивались затраты на реализацию проекта по изготовлению в промышленных условиях и применению на сельскохозяйственных угодьях сорбента для детоксикации соединений мышьяка с традиционным на высоких уровнях загрязнения методом очистки почв – промывкой водой. Детоксикация 1 га почвы при помощи разработанного сорбента позволяет снизить затраты на 1181597,4 руб./га по сравнению с промывкой.

Кроме экономической эффективности применения сорбента, данный способ в ряде случаев более целесообразен с экологической точки зрения. Промывные воды частично удаляют соединения мышьяка из пахотного горизонта, переносят их в нижние горизонты почвы, откуда они могут попадать в грунтовые воды, тогда как при применении разработанного сорбента возможна защита грунтовых вод от поступления мышьяка.

Основные выводы и результаты работы

1. Приведенный анализ литературных данных показал, что в настоящее время во многих странах мира и в России стоит проблема загрязнения почв мышьяком. По данным на 01.01.2000 г. в России площадь пахотных земель с содержанием мышьяка выше ПДК составляет 225,7 тыс. га. Среди методов детоксикации загрязненных мышьяком почв наиболее доступный - использование природных сорбентов. Перспективным направлением научных исследований является разработка комплексных сорбентов, обеспечивающих селективное поглощение подвижных форм мышьяка и усиление действия геохимических барьеров.

2. На основе теоретического изучения механизмов действия природных сорбентов, учитывающих химические и физические процессы, протекающие на уровне макропор, переходных пор и микропор, и зависящие от структуры и состава сорбента предложена концептуальная модель гипотетического состава для мелиорации загрязненных почв, которая учитывает степени окисления мышьяка и позволяет максимально задействовать различные виды сорбции.

3. При проведении модельного лабораторного опыта были выявлены эмпирические закономерности сорбции мышьяка в почве природными сорбентами, их смесями и модификациями и составлен ряд убывания подвижных форм мышьяка под действием природных сорбентов. Наилучшим сорбентом среди отобранных нами природных материалов оказался сапропель, который снизил содержание мышьяка на 63 % относительно контроля без использования сорбентов. При использовании смесей из природных сорбентов наилучший результат показала смесь сапропеля с СаСО₃.

Характеристики

Список файлов диссертации