Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Экологическое состояние промышленных зон ликвидированных предприятий угледобычи Приморского края Грущакова Наталья Валерьевна

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Грущакова Наталья Валерьевна. Экологическое состояние промышленных зон ликвидированных предприятий угледобычи Приморского края: диссертация ... кандидата Химических наук: 03.02.08 / Грущакова Наталья Валерьевна;[Место защиты: ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет»], 2019.- 187 с.

Содержание к диссертации

Введение

1 Обзор литературы 13

1.1 Анализ экологической опасности действующих объектов угольной промышленности 13

1.1.1 Влияние действующих угольных предприятий на атмосферу 13

1.1.2 Влияние действующих угольных предприятий на литосферу 14

1.1.3 Влияние действующих угольных предприятий на гидросферу 15

1.2 Последствия ликвидации угольных предприятий 16

1.2.1 Виды последствий 17

1.2.2 Влияние шахтных вод на состояние окружающей среды 18

1.2.3 Влияние терриконов на состояние окружающей среды и их рекультивация 22

1.3 Особенности формирования и состава шахтных вод ликвидированных угольных предприятий 24

1.4 Методы очистки шахтных вод 28

1.4.1 Российский опыт разработки методов очистки шахтных вод 29

1.4.2 Мировой опыт разработки методов очистки шахтных вод 31

1.4.3 Геохимические методы очистки шахтных вод 33

1.4.3.1 Сорбционные свойства почвы 33

1.4.3.2 Применение геохимических барьеров для очистки сточных вод 35

1.5 Состояние угольной промышленности Приморского края 37

1.6 Заключение 41

2 Экспериментальная часть 43

2.1 Объекты исследования 43

2.1.1 Угловский буроугольный бассейн 50

2.1.2 Ханкайский буроугольный бассейн 52

2.1.3 Раздольненский каменноугольный бассейн 53

2.1.4 Партизанский каменноугольный бассейн 54

2.2 Определение химического состава техногенных вод и водных вытяжек почв 57

2.2.1 Основные гидрохимические показатели техногенных вод 57

2.2.2 Бактериологический анализ техногенных вод 58

2.2.3 Содержание углеводородов в техногенных водах 58

2.2.4 Содержание металлов в техногенных водах 59

2.2.5 Методика приготовления почвенных вытяжек 59

2.2.6 Химический состав водных вытяжек почв 59

2.3 Локальные методы очистки техногенных вод 60

2.3.1 Электрокоагуляция 60

2.3.2 Электрохимическое окисление 60

2.3.3 Сорбционная очистка 61

2.4 Геохимический метод очистки: геохимические барьеры 61

2.4.1 Исследование сорбционных свойств почвы в статических условиях 61

2.4.1.1 Объекты исследования 61

2.4.1.2 Приготовление рабочих растворов солей меди(II) и цинка(II) 62

2.4.1.3 Извлечение меди(II) и цинка(II) из водных растворов 62

2.4.1.4 Кинетики сорбции меди(II) и цинка(II) из модельных растворов 63

2.4.1.5 Построение изотермы сорбции меди(II) и цинка(II) 63

2.4.2 Очистка техногенных вод методом геохимических барьеров (методом трубок) 65

2.4.2.1 Очистка модельных растворов 67

2.4.2.2 Очистка техногенных вод ликвидированной шахты «Авангард» 68

2.5 Статистический анализ 69

3 Результаты и их обсуждение 70

3.1 Оценка экологического состояния промышленных зон ликвидированных угольных предприятий Приморского края 70

3.1.1 Угловский буроугольный бассейн 70

3.1.2 Ханкайский буроугольный бассейн 74

3.1.3 Раздольненский каменноугольный бассейн 79

3.1.4 Партизанский каменноугольный бассейн 87

3.1.4.1 Состояние техногенных вод ликвидированных угольных шахт 87

3.1.4.2 Влияние техногенных вод на почву 93

3.1.4.3 Влияние техногенных вод на поверхностные водные объекты 98

3.1.4.4 Влияние техногенных вод на источники нецентрализованного питьевого водоснабжения 104

3.1.5 Обсуждение полученных результатов 106

3.2 Анализ результатов по локальной очистке техногенных вод 108

3.3 Анализ результатов по очистке техногенных вод методом геохимических барьеров 114

3.3.1 Сорбционные свойства почвы 114

3.3.1.1 Кинетика сорбции меди(II) и цинка(II) 114

3.3.1.2 Изотермы асорбции меди(II) и цинка(II) 116

3.3.2 Использование геохимических барьеров (метод трубок) для очистки техногенных вод 121

3.3.2.1 Очистка модельных растворов 121

3.3.2.2 Очистка техногенных вод ликвидированной шахты «Авангард» 124

Выводы 138

Список сокращений и условных обозначений 140

Список терминов 141

Список литературы 144

Приложение А Схема расположения ликвидированных угольных шахт Партизанского каменноугольного бассейна 184

Приложение Б Схема отбора проб воды из водных объектов бассейна р. Партизанской 185

Приложение В Схема отбора проб воды из р. Партизанской 186

Приложение Г Схема отбора проб воды из реки Тигровая и ручья Ольховый 187

Влияние шахтных вод на состояние окружающей среды

Ликвидация угольных шахт, как правило, происходит путём их частичного или полного затопления за счёт собственного водопритока после остановки работы водоотлива [57]. Закрытие таких нерентабельных шахт приводит к поступлению техногенных шахтных вод во водоносные горизонты, значительному изменению состава и формированию ореолов распространения сильнозагрязненных природных вод, которые затем становятся непригодными для хозяйственно-питьевого водоснабжения населения [58-60]. Состав шахтных вод формируется в результате взаимодействия подземных вод с горными породами посредством контактного обмена. Они содержат минеральные, органические и микробиологические загрязнители, которые имеют, как правило, повышенную токсичность [35]. В основном изменения связаны со значительным возрастанием минерализации, уменьшением величины рН, увеличением концентраций макро-(Cl-, SO42-, HCO3-, CO32-, Na+, K+, Mg2+, Ca2+ и др.) и микрокомпонентов (Li+, Sr2+, Cu2+, Pb2+, Fe2+, Ni2+, Cr3+, Mn3+ и др.) [31].

Величина загрязнения поверхностных водных объектов определяется объемами изливающихся шахтных вод. Сбрасываются такие воды непосредственно в поверхностные водные источники, находящиеся в зонах влияния ликвидированных угольных шахт. При этом происходит подтопление сельскохозяйственных земель, проседание поверхности под зданиями и сооружениями, а также загрязнение поверхностных водных бассейнов [61, 62]. Существенному негативному воздействию подвержены малые реки, главным образом, из-за невысокой степени самоочищения [31, 63]. Вместе с тем следует подчеркнуть, что малые реки формируют общие водные ресурсы, водный и гидрохимический режимы средних и крупных рек, определяя их экологическую специфику [64, 65].

В таблице 2 представлен химический состав малых рек, находящихся под влиянием угольных шахт Кемеровской и Ростовской областей, Якутии и Пермского края. Как видно из представленных данных, значение рН варьируется в широком диапазоне. Кислая реакция среды была зафиксирована в реках Кизел (рН 3,47) и Большая Гремячая (рН 4,39) Кизеловского угольного бассейна (Пермский край), щелочная – в реках Черновой Уроп и Иня (нижняя) (рН 8,85) Кузбасского угольного бассейна (Кемеровская область) (таблица 2). Воды рек Эльгинского месторождения имеют нейтральную реакцию среды.

Содержание железа в водах рек – приемников шахтных вод Кизеловского угольного бассейна превышает предельно допустимую концентрацию для рыбохозяйственных водоемов (ПДКр/х) в несколько десятков раз. Максимум наблюдался в р. Кизел (2810 ПДКр/х). В речных водах Восточного Донбасса и Эльгинского угольного месторождения концентрация железа находится на уровне ПДК или превышает её (2-24 ПДКр/х). Повышенную концентрацию аммонийного азота, взвешенных и органических веществ можно отметить в реках, находящихся в зоне влияния действующего Эльгинского угольного месторождения.

Особую опасность для водных экосистем представляют тяжелые металлы, которые относятся к классу консервативных веществ и сохраняются в природных водах после устранения источника загрязнения. Содержание катионов металлов было изучено в реках Эльгинского месторождения и Восточного Донбасса. По полученным результатам видно, что содержание меди, марганца и стронция превышает ПДК для рыбохозяйственных водоемов во всех исследуемых реках Восточного Донбасса (таблица 2).

Затопление угольных шахт приводит к загрязнению источников питьевого водоснабжения населенных пунктов в зонах разгрузки техногенных вод. Шахтные воды влияют на воду колодцев, родников и скважин, что проявляется в первую очередь в высокой минерализации. Такое повышение концентраций загрязняющих веществ отрицательно влияет на здоровье человека, вызывая, заболевая кожи и слизистых оболочек, поражая центральную нервную систему, почки, легкие, печень и др. [35, 36, 39, 73-76].

Не менее важным техногенным фактором ликвидированных углепромышленных территорий является проблема разрушения крепежного материала выработок путем выщелачивания и размытия горных пород с образованием провалов и мульд оседания [26]. Так, проникновение воды в шахтные выработки происходит путем их просачивания с поверхности, из водоносных горизонтов по трещинам в горных породах, а также по ранее пройденным подземным выработкам [77]. При этом в выработанном пространстве происходит подъем уровня подземных вод, который приводит к изменению гидрогеологической обстановки и формированию совершенно новых природно-техногенных структур [57]. Новый техногенный гидрологический комплекс является причиной возникновения нарушения подработанных массивов горных пород и дневной поверхности, подтопления населенных пунктов, загрязнения подземных и поверхностных вод шахтными водами [78].

Состояние угольной промышленности Приморского края

Приморский край является наиболее развитой в промышленном отношении территорией Дальневосточного экономического района. На его долю приходится примерно 27 % электроэнергии и 32 % топлива, потребляемых в регионе. Основными энергоносителями в крае в настоящее время и на перспективу являются бурые и каменные угли, широко распространенные практически во всех административных районах края. Доля угля в топливном балансе края – 60-64 %, а в производстве электроэнергии – более 80 %. До 1997 г. добыча угля в крае велась 14 шахтами и 5 разрезами [202]. В настоящее время практически все угольные предприятия Приморского края закрыты. Водоотлив из них прекращен, и горнодобывающие шахты, которые многие десятилетия осушали огромные прилегающие пространства, затапливаются до уровня естественных отметок зеркала подземных вод. В промышленных зонах ликвидированных угольных шахт и карьеров сложилась напряженная экологическая ситуация – происходит деградация почв и ухудшение качества природных вод [39, 203, 204].

На сегодняшний день в Приморском крае уголь добывается только открытым способом [205, 206]. Запасы, пригодные для такой разработки, составляют 5-7 % от разведанных и сосредоточены главным образом на эксплуатируемых Липовецком и Алексее-Никольском месторождениях (Раздольненский каменноугольный бассейн) [205]. Самым крупным является региональное разрезоуправление «Новошахтинское», которое включает разрезы «Павловский» № 2, «Северная Депрессия». Разрезоуправление «Новошахтинское» осуществляет разработку открытым способом Павловского буроугольного месторождения [207, 208]. С 2017 года введен в эксплуатацию новый угольный разрез «Некковый» вблизи п. Липовцы.

Еще одним из крупнейших поставщиков угля в крае являются разрезы Лучегорский № 1 и Лучегорский № 2, входящие с декабря 1997 г. в состав ЗАО «ЛУТЭК». Разрезами отрабатываются запасы Бикинского буроугольного месторождения, особенностью которого является сосредоточение угольных пластов наибольшей мощности с наиболее благоприятными горнотехническими условиями в юго-восточной его части [202, 207].

Состав углей рассматриваемых угольных месторождений Приморского края весьма разнообразен и, как правило, обуславливается большим количеством минеральных включений, что является причиной их повышенной зольности [209, 210] (таблица 4).

Золы каменноугольных месторождений достаточно четко разбиваются на три группы – высококремнистые (SiO2 = 59,1-69,5 %), среднекремнистые (SiO2 = 49,4-55,0 %) и низкокремнистые (SiO2 = 43,5-47,0 %). Как видно из таблицы 4, зола Приморских углей является преимущественно глиноземисто-кремнистой и содержит углевмещающие породы и минералы, такие как алевролит, аргиллит, каолинит, кальцит, кварц, марказит, пирит, сидерит, сульфиды железа, глинистые материалы и др. Золы Липовецкого, Подгородненского месторождений и Партизанского бассейна относятся к высококремнистым, а золы бурых углей, согласно [209], не образуют четких групп. К первой группе каменноугольных зол близки буроугольные месторождения Угловского бассейна, ко второй – Реттиховское, к третьей – Павловское. Важным показателем золы углей является содержание оксида кальция. Повышенное среднее содержание оксида кальция характерно для золы углей Реттиховского (7,55 %), Павловского (10,9-22,6 %) и Артемовского (до 13,5 %) месторождений. Железистые угли содержатся на Павловском месторождении (до 10 % в золах малозольных углей) (таблица 4). Золы Артемовского и Тавричанского месторождений также характеризуются наличием Al2O3 до 24-27 % [209].

Следует также отметить, что наличие в Приморье липтобиолитовых смоляных углей (Липовецкое месторождение) с запасами и ресурсами около 500 млн. т. дают хорошую перспективу использования их в качестве сырья для химической переработки. На территории края имеются и коксующиеся марки углей, но использование их в металлургической промышленности в обозримом будущем проблематично [202].

Угли Приморского края известны своим повышенным содержанием благородных и редких металлов. Сложная геологическая ситуация и наложение тектонических структур (Ханкайский срединный массив, области палеозойской и мезозойской складчатости) способствовали накоплению таких ценных компонентов (таблица 5) [205, 209, 212-214].

В углях Реттиховского и Липовецкого месторождений содержится серебро, в углях Артемовского, Тавричанского месторождений и Партизанского бассейна – галий [213, 214]. Как показал анализ литературных источников (таблица 5), в состав всех углей входят такие редкие металлы как Cr, Ni, Co, Zn и Cu. В целом можно отметить повышенное содержание меди в углях Артемовского, Тавричанского, Реттиховского месторождений и Партизанского бассейна. По содержанию хрома отличаются Артемовское, Тавричанское и Партизанские месторождения, по содержанию цинка – только Липовецкое месторождение. Таким образом, запасы и ресурсы угля Приморского края являются крупной минерально-сырьевой базой для развития угледобывающей промышленности в будущем [202]. Использование горнопромышленных отходов, доработка старых и освоение новых месторождений, а также стабилизация экологической обстановки на ликвидированных промышленных территориях является основой к продлению существования приморских горнодобывающих предприятий [205, 214].

Раздольненский каменноугольный бассейн

Исследование промышленной зоны Раздольненского каменноугольного бассейна проводилось на примере Липовецкого угольного месторождения (шахта №4 п. Липовцы «Южный ствол») в период с 2012 г. по 2013 г. Анализ химического состава показал, что техногенные воды изучаемого бассейна являются умеренно жесткими (7 мг-экв/л) со средней минерализацией (539 мг/л), повышенной перманганатной окисляемостью (97 мгО/л) и цветностью (100 град) [248].

Статистический анализ химического состава техногенных вод показал их незначительную годовую изменчивость только по минерализации (рисунок 14). Такие отличия можно объяснить тем, что в период отбора проб в 2013 г. на исследуемой территории выпало меньшее количество осадков (44 мм), чем в 2012 г. (73 мм).

На рисунке 15 представлены отличия химического состава между техногенными водами, отобранными в различных точках промышленной зоны ликвидированной шахты п. Липовцы (таблица 6): у подножья террикона (2ЛипВода), в микропонижениях (3ЛипВода), в естественной болотине (5ЛипВода). Изучаемые воды отличаются по цветности, мутности, минерализации, щелочности, содержанию общего железа. Значения минерализации и щелочности значимо отличаются в пробах, отобранных у подножья террикона (точка 1 – 2ЛипВода) и из естественной болотины (точка 3 – 5ЛипВода) – проба, взятая у подножья террикона более минерализована и имеет большую щелочность. Техногенная вода, отобранная у подножья террикона, (точка 1 – 2ЛипВода) - менее цветная с меньшей мутностью в сравнении с выходящими водами из микропонижений (точка 2 – 3ЛипВод) и естественной болотины (точка 3 – 5ЛипВод). Это связано с тем, что в точках 2 и 3 выходящая на поверхность вода фильтруется через почву, обогащаясь гумусовыми и коллоидными веществами. По содержанию общего железа значимые отличия обнаружены только между точками отбора проб у подножья террикона (точка 1 – 2ЛипВода) и из микропонижений (точка 2 – 3ЛипВод). Это объясняется тем, что вода, взятая у подножья террикона, менее обогащена соединениями железа, так как, по всей видимости, является атмосферной водой, находящейся под влиянием материала террикона. Вода, отобранная из микропонижений, является техногенной водой, высачивающейся на поверхность. В свою очередь, для болотных вод (точка 3 – 5ЛипВод) свойственно повышенное содержание железа, т.е. по окислительно-восстановительным условиям они представляют собой неравновесную систему, для которой характерны ассоциации окислителей (О2, Fe3+) и восстановителей (растворенные гуминовые кислоты – ГК и Fe2+) [249].

Результаты статистической обработки химического состава водных вытяжек верхних горизонтов почв (таблица 6) показали их годовую изменчивость по содержанию Cr(VI) и ионов аммония (рисунок 16). В 2013 г. из-за выхода менее минерализованных техногенных вод (рисунок 14) на поверхность произошло снижение содержания Cr(VI) и ионов аммония в водных вытяжках почв.

В промышленной зоне ликвидированной шахты №4 п. Липовцы было исследовано влияние террикона на почву (рисунок 17). С этой целью на данной территории были отобраны образцы материала террикона (точка 1 – 1Лип), зарастающего террикона (точка 2 – 2Лип), турбированных почв (точка 3 – 3Лип, точка 4 – 4Лип) и условно-эталонной почвы (точка 5 – 5Лип) (таблица 6). Между химическим составом водных вытяжек указанных выше образцов были установлены статистически значимые отличия по рН, электропроводности и содержанию Cr(VI) (рисунок 17). Наблюдаются уменьшение рН, электропроводности и содержания Cr(VI) от террикона до условно-эталонной почвы. Значение pH плавно смещается из слабо щелочной (точка 1) области в нейтральную (точка 5). По электропроводности статистические отличия между материалом террикона и турбированными почвами отсутствуют (точки 1-4).

Отличия выявлены только между точками 1-4 (1, 2 – материал террикона, 3, 4 – техногенно-трансформированные почвы) и точкой 5 (эталон - фоновая почва), что свидетельствует о засолении почв, находящихся вблизи террикона. По содержанию Cr(VI) отмечаются различия между материалом террикона (точка 1) и эталоном (точка 5), тогда как между материалом террикона и трансформированными почвами отличий нет. В тоже время видно, что в почве происходит накопление Cr(VI) под влиянием террикона, но из-за большого разброса значений в точках 2-4 они статистически не отличаются от условно-эталонной почвы (точка 5). Таким образом, морфологический облик промышленной зоны ликвидированной шахты № 4 п. Липовцы («Южный ствол») определяется отвалом горных пород. Материал террикона смывается с насыпей горных отвалов, перемешивается с почвой и образует «плащи» техногенных наносов, оказывающих влияние на почву [250].

В таблице 13 даны коэффициенты корреляции между химическим составом водных вытяжек почв и техногенными водами ликвидированной шахты №4 п. Липовцы.

Как видно из таблицы 13, повышение минерализации и перманганатной окисляемости техногенной воды может приводить к накоплению соединений хрома и повышению электропроводности в почвенном растворе. Увеличение щелочности также способствует накоплению соединений кремния в почвенном растворе и увеличению его электропроводности. Соли жесткости наоборот снижают подвижность соединений кремния и электропроводность.

Регрессионный анализ между содержанием общего железа в техногенных водах и рН водных вытяжек почв, минерализацией техногенных вод и содержанием хрома в водных вытяжках почв показывает тесную взаимосвязь между данными показателями. Повышение концентрации железа в техногенной воде может приводить к подкислению почвенного раствора, а увеличение минерализации к накоплению соединений хрома (рисунок 18).

Можно отметить положительную зависимость между щелочностью техногенных вод, и содержанием соединений кремния и электропроводностью почвенных растворов и связано это, по-видимому, с растворением почвенных силикатов в щелочной среде (рисунок 19).

Кривая регрессии зависимости электропроводности водных вытяжек от минерализации техногенной воды (рисунок 20) показывает довольно тесную взаимосвязь между данными показателями и указывает на тенденцию возрастания засоления почв с увеличением минерализации высачивающейся на поверхность техногенной воды.

Очистка техногенных вод ликвидированной шахты «Авангард»

Для построения модели были использованы образцы загрязненной почвы, отобранной в промышленной зоне шахты «Авангард», в качестве сорбентов – природные алюмосиликаты, которые являются наиболее перспективными в эколого-эконимическом плане [177, 178, 191, 201], и зола Партизанской ГРЭС (таблица 10). Техногенная вода для лабораторного эксперимента была взята из ручья, образовавшегося в промышленной зоне. Характеристика сорбентов и почв, используемых в моделях геохимических барьеров, представлена следующими показателями: размер фракций (таблица 10), химический состав (таблица 28), удельная поверхность, диаметр пор, фазовый состав, емкость катионного обмена (таблица 29), фильтрационная способность (таблица 30), ИК-спектры поглощения (рисунок 38).

Как видно из таблицы 28, вермикулит Ковдорского месторождения содержит в 2 раза больше оксидов магния и кальция в отличие от вермикулита Кокшаровского месторождения. В свою очередь, Кокшаровский вермикулит отличается большим содержанием оксидов калия, железа и наличием натрия.

Цеолит Чугуевского месторождения и зола Партизанской ГРЭС состоят в основном из оксидов кремния и алюминия. рН водной вытяжки Ковдорского вермикулита и золы имеют щелочную реакцию среды, Кокшаровский вермикулит и цеолит Чугуевского месторождения – нейтральную, близкую к реакции среды почвы.

Как видно из таблицы 29, выбранные сорбенты представляют собой кристаллические субстанции. Идентификация фаз в экспериментальных рентгенограммах показала наличие в почвах высокодисперсных минералов групп каолинита, монтмориллонита и иллит (таблица 29).

Химический состав и свойства сорбентов (таблица 28, 29) позволяют предположить, что высокая обменная сорбция вермикулита Ковдорского месторождения объясняется нахождением гидратированных (обменных) ионов Mg2+ между пакетами трехслойной кристаллической решетки, тогда как в вермикулите Кокшаровского месторождения присутствуют фиксированные (необменные) катионы калия. Подтверждением этому служит высокое (в два раза) содержание MgО у Ковдорского вермикулита и К2О (в четыре раза) в образцах Кошкаровского вермикулита. Кроме этого, по данным РФА видно, что в составе Ковдорского вермикулита содержится в 2 раза больше минерала вермикулита.

ИК-спектры вермикулитов Ковдорского и Кокшаровского месторождений сходны между собой (рисунок 38). В спектрах присутствует широкая интенсивная полоса поглощения валентных немостиковых связей Si-O алюмосиликатных группировок с максимумом в области 998 см-1. Полосы поглощения в области 457 см-1 и 670 см-1 можно отнести к деформационным колебаниям группы Si-O-Si. Присутствие в спектрах поглощения полосы в области 3434 cм-1 вызвано наличием адсорбированной и капиллярной воды. Деформационные колебания этих группировок лежат в области 1639 см-1. Ковдорский вермикулит отличается наличием полосы при 1423 см-1, соответствующий деформационным колебаниям групп ОН в вершинах кремнекислородных тетраэдров, и перегибом при 940 см-1, указывающий на наличие ОН-групп алюмогидроксильных октаэдров. Возможно, наличие таких ОН-групп обуславливает щелочную реакцию среды Ковдорского вермикулита [287].

В ИК-спектре цеолита Чугуевского месторождения есть полоса поглощения при 1044 см-1, соответствующие валентным колебаниям мостиковых связей Si-O-Si(Al), в спектре золы Партизанской ГРЭС – полоса в области 1083 см-1, указывающая на наличие каркасных группировок Si-O-Si. Полосы поглощения в области от 400 см-1 до 800 см-1 в обоих спектрах можно отнести к различным колебаниям связей Si-O, Al-O, Si-O-Si. В спектрах сорбентов присутствуют полосы поглощения валентных колебаний ОН-групп различной природы с максимумом в области 3400-3600 cм-1 и деформационных колебаний в диапазоне 1600 см-1. В спектре золы есть полоса поглощения в области 2921 cм-1, которая соответствует валентным колебаниям алифатических групп, что свидетельствует о загрязненности золы органическими соединениями [287].

Результаты анализа водопроницаемости почвы и сорбционных барьеров представлены в таблице 30. Как показало исследование, коэффициенты впитывания дистиллированной и техногенной воды почвой практически не отличаются друг от друга (разница составляет до 9,4 %). Коэффициенты впитывания техногенной воды в модели геохимического барьера с использованием вермикулита Ковдорского месторождения наиболее близки к почвенным. Цеолит Чугуевского месторождения и зола Партизанской ГРЭС способствует увеличению коэффициента впитывания, что приводит к ускорению процесса фильтрации шахтной воды через почву, вермикулит Кокшаровского месторождения наоборот снижает скорость впитывания.

Дистиллированная вода (рисунок 39) вымывает из почвы значительно больше подвижных форм металлов, чем техногенная, как в прямом, так и в обратном методах. Следовательно, дистиллированная вода очищает почвы от загрязняющих ее металлов, тогда как техногенная, наоборот, способствует еще большему их загрязнению.

Результаты химического состава техногенной воды, пропущенной через различные геохимические барьеры, очень сильно разнятся (рисунки 40-43). Рассмотрим содержание соединений меди в инфильтрационных водах, прошедших через сорбционные барьеры (рисунок 40а). В прямом методе в колонке с вермикулитом Кокшаровского месторождения катионы меди задерживаются, тогда как в инфильтрационных водах колонок с вермикулитом Ковдорского месторождения и золой Партизанской ГРЭС концентрация катионов меди увеличивается. Причем, выход меди после прохождения через колонку с Ковдорским вермикулитом увеличивается в 4 раза, а в модельном опыте с золой – в 3 раза относительно содержания ее в фильтрате из почв. В обратном методе, четко прослеживается обратная картина, в инфильтрационных водах колонки с Кокшаровским вермикулитом содержание меди увеличивается, а в моделях с Ковдорским вермикулитом и золой Партизанской ГРЭС уменьшается. Возникает вопрос, откуда появляется повышенное содержание меди после прохождения техногенных вод через Ковдорский вермикулит и золу Партизанской ГРЭС в прямом методе и в модели с Кошкаровским вермикулитом – в обратном.

Очевидно, причиной столь не равнозначного содержания меди на выходе прямого и обратного методов являются почвенные горизонты, загрязненные соединениями меди. Причем, в разных генетических горизонтах формы соединений меди разные. В гумусовом горизонте преимущественно образуются органоминеральные соединения меди с крупными молекулами, тогда как в срединном горизонте преобладают ионные (катионные) обменные формы, связанные с монтмориллонитовыми глинами, диагностируемые по данным РФА. Второй причиной столь неравнозначного содержания меди в инфильтрационных водах прямого и обратного методов является разная фильтрационная способность 131 колонки (например, коэффициент впитывания при прямом методе в колонке с Кокшаровским вермикулитом 0,32 и 0,20 – в обратном). Следовательно, время прохождения, а значит и время взаимодействия воды с твердой фазой почвы и сорбента увеличивается, а значит, увеличивается вероятность выхода ионов меди в инфильтрационные воды. Третьей причиной может быть изменение реакции среды в результате контакта техногенной воды с сорбентами. По-видимому, зола Партизанской ГРЭС, Ковдорский и Кокшаровский вермикулиты поглощают органоминеральные соединения меди. Но при прохождении воды через слой Ковдорского вермикулита и золы Партизанской ГРЭС, значение рН фильтрата повышается до 9, что может способствовать растворению силикатной составляющей срединного горизонта, с которой связаны ионы меди. В обратном методе увеличение концентрации меди в колонке с Кокшаровским вермикулитом, по сравнению с колонкой с почвенными горизонтами, происходит, по-видимому, из-за более низкого коэффициента впитывания. Ковдорский вермикулит и зола уменьшают интенсивность миграции меди из гумусового горизонта из-за изменения среды фильтрующейся воды в щелочную сторону, что приводит к образованию малоподвижных форм соединений меди. Цеолит, являясь ионным ситом, удерживает незначительное количество ионов меди, как в прямом, так и обратном методах.

Результаты анализа инфильтрационных вод на содержание ионов цинка показывают, что исследуемые сорбенты практически не поглощают катионы цинка (рисунок 40б). Поведение катионов цинка при прохождении через модели геохимических барьеров сходно поведению катионов меди. Основная причина изменения содержания катионов в фильтрате – это изменение среды инфильтрационных вод.