Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние и проблемы обезвреживания донных отложений от тяжелых металлов 8
1.1 Природа образования донных отложений 8
1.2 Нормы и критерии оценки загрязненности донных отложений 12
1.3 Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами 21
1.4 Физико-химические основы аккумуляции тяжелых металлов донными отложениями 25
1.5 Современное состояние проблемы утилизации донных отложений 31
1.6 К возможности использования магнитной обработки для обезвреживания илов и осадков 36
1.7 Постановка цели и задачи исследования 43
2 Объекты и методы исследования 45
2.1 Метод определения содержания тяжелых металлов с использованием рентгено-флуоресцентной спектрометрии 47
2.2 Измерение ИК спектров на инфракрасном приборе Фурье-спектрометр (модификации ФСМ - 1201) 49
2.3 Определение анионного состава донных отложений на ион-хроматографе "690 ION CHROMATOGRAPH" 50
2.4 Исследование состава органических компонентов с использованием газовой хроматографии/ масс-спектрометрии (GC/MS) 51
2.5 Определение химического потребления кислорода с помощью анализатора Флюорат 02-2М с термоблоком Термион 52
2.6 Проведение количественного элементного анализа растворов на атомно-абсорбционном спектрометре Квант AAS 53
2.7 Метод аналитического фракционирования органических веществ, основанный на различной растворимости соединений 53
2.8 Методика постановки экспериментов по извлечению тяжелых металлов из донных отложений 56
Исследование состава донных отложений 58
3.1 Исследование содержания тяжелых металлов в донных отложениях 58
3.2 К составу органических веществ в донных отложениях 61
3.3 О формах нахождения тяжелых металлов в донных отложениях 80
3.4. Исследования распределения тяжелых металлов по составляющим донных отложений 87
3.5 Заключение 98
4 Извлечение тяжелых металлов из донных отложений ... 100
4.1 Изучение процесса извлечения тяжелых металлов из донных отложений методом замещения на кальций 101
4.2 Исследование влияния магнитных полей на процесс извлечения тяжелых металлов из донных отложений 112
4.3 Извлечение тяжелых металлов из донных отложений методом замещения тяжелых металлов на кальций с последующим воздействием магнитным полем 121
4.4 Заключение
5 Выделение тяжелых металлов из водной фазы, образующейся после обезвреживания донных отложений 129
6 Технологические основы обезвреживания донных отложений 134
Выводы 137
Список использованных источников
- Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами
- Определение анионного состава донных отложений на ион-хроматографе "690 ION CHROMATOGRAPH"
- К составу органических веществ в донных отложениях
- Исследование влияния магнитных полей на процесс извлечения тяжелых металлов из донных отложений
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из актуальных экологических проблем до сих пор остается предотвращение загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ), в том числе донных отложений (ДО) поверхностных водоемов. Накопление тяжелых металлов в донных отложениях водоемов, рек и каналов обусловлен рядом причин, в том числе достаточно высоким содержанием фосфат - ионов в поверхностных водах, образованием труднорастворимых фосфатных соединений, их переходом в донные отложения. При очистке рек, каналов, внутренних водоемов Санкт-Петербурга от накопления донных отложений на полигоны вывозится ежегодно около 2 млн. тонн ДО. По данным экспертов более 70% грунтов, поднимаемых со дна рек и каналов, относятся к 3-му классу отходов, вследствие их загрязнения тяжелыми металлами. Вместе с тем в ДО содержатся биогенные элементы (N, P, K), гуминоподобные вещества, т.е. при обезвреживании ДО они могли бы быть утилизированы. Одним из препятствий возможной утилизации донных отложений в качестве органоминеральных удобрений или структурирующих элементов почв в сельском и садово-парковом хозяйствах городов является превышение концентраций тяжелых металлов нормативов для осадков, разрешенных для использования в сельском хозяйстве. Отсутствие экономичных методов и технологий обезвреживания ДО от ТМ привело к накоплению ДО на полигонах, в шламонакопителях. Требуются все большие площади, возможно загрязнение грунтовых вод. Вследствие этого необходимо изыскание методов обезвреживания илов и ДО. Решение этой проблемы актуально не только для России, но и для западных стран. Вместе с тем, следует отметить и крайнюю ограниченность сведений о компонентном составе ДО, что сдерживает разработку технических решений по их утилизации.
Цель работы: на основе изучения компонентного состава и свойств донных отложений поверхностных водоемов Санкт-Петербурга обосновать пути решения проблемы обезвреживания донных отложений от тяжелых металлов.
В соответствии с целью работы сформулированы следующие задачи:
– исследовать состав илов и донных отложений рек и каналов Санкт-Петербурга, установить содержание в них тяжелых металлов, биогенных элементов, органических соединений;
– изучить закономерности аккумуляции тяжелых металлов и их распределение по составляющим донных отложений;
– на основе анализа твердой фазы донных отложений и ранее проведенных исследований по извлечению тяжелых металлов из илов биологических очистных сооружений (БОС) разработать физико-химические основы обезвреживания донных отложений с применением кальциевых материалов и интенсификации процесса с использованием магнитных воздействий;
– исследовать технологические параметры осуществления процесса и разработать практические рекомендации.
Работа выполнена при поддержке Правительства Санкт-Петербурга (грант ПСП № 080221 для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук 2008), в рамках международного сотрудничества с Высшей Технической Школой (г. Крефельд, Германия) и в соответствии с тематикой фундаментальных исследований Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна в рамках тематических планов по заданию Рособразования 2007-2009 г.
Научная новизна работы:
– впервые методом газовой хроматографии установлено наличие в ДО ряда органических веществ, в том числе, сквалена, 2-этилгексанола, ацетамида, 2,5-фурандиона и обоснованы источники их поступления в ДО;
– также впервые проведен анализ состава отвалов ДО поверхностных водоемов Санкт-Петербурга и количественно установлено содержание в них полисахаридов, белковых, гуминоподобных веществ, неорганического остатка;
– установлено распределение ТМ по группам составляющих ДО, охарактеризованы формы связывания металлов составляющими ДО;
– выявлена возможность извлечения тяжелых металлов из ДО путем замены их на кальций при введении малорастворимых солей кальция;
– установлено существенное увеличение степени извлечения тяжелых металлов при введении в ДО кальциевых солей и воздействии импульсным магнитным полем.
Практическая значимость работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований обоснован способ обезвреживания донных отложений, содержащих тяжелые металлы. Предложены технические решения извлечения ТМ из донных отложений, использование которых существенно снизит загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами в местах складирования донных отложений или позволит создать предпосылки для утилизации обезвреженных складированных донных отложений в качестве удобрений или структурирующего вещества почв.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментального исследования состава донных отложений рек и каналов Санкт-Петербурга на содержание в них тяжелых металлов, биогенных элементов и классов органических соединений.
2. Основные закономерности распределения ТМ по составляющим донных отложений и механизмы их связывания составляющими ДО.
3. Физико-химические основы и количественные показатели процессов извлечения тяжелых металлов из донных отложений.
4. Технологические решения выделения тяжелых металлов из водной фазы после обезвреживания донных отложений.
5. Принципиальная схема обезвреживания донных отложений от ТМ.
Личный вклад автора состоял в обосновании направлений исследования, постановке конкретных задач, непосредственном выполнении основных экспериментов, анализе полученных результатов и их обобщении.
Достоверность полученных результатов подтверждена взаимной согласованностью данных, полученных при использовании комплекса физико-химических методов исследования: ИК-спектроскопии, газовой хроматографии, атомно-абсорбционной спектроскопии, элементного анализа, химического фазового анализа.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на Всероссийской научно-техническая конференции студентов и аспирантов (Санкт-Петербург, 2004), конференции “Современные экологические проблемы и их решение: взгляд молодежи» (Санкт-Петербург, 2008), Всероссийской научно-техническая конференции студентов и аспирантов (Санкт-Петербург, 2008), Международной научной конференции “Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов” (Санкт-Петербург, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ: 3 статьи, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК, и тезисы 5 докладов на конференциях различного уровня.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографического списка (120 наименований), приложений А и Б. Основной текст изложен на 177 стр., включая 29 рис. и 23 табл.
Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами
Термин "тяжелые металлы", характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В качестве критериев принадлежности к тяжелым металлам используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).
На сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Со, Ni, Си, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации [19, 20]. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута биологическая роль, которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (рН, окислительно-восстановительный потенциал, наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей.
Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.
Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органическими веществами; эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах. Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с ионами железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной среды и способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния. Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно [21].
Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет три следствия: — может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за счет перехода его в раствор из донных отложений; - мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться от проницаемости гидратированных ионов; - токсичность металла в результате комплексообразования может сильно измениться [22].
Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадение кислотных осадков способствует снижению значения рН и переходу металлов из сорбированного на минеральных и органических веществах в свободное состояние [23]. Прежде всего, представляют интерес те металлы, которые наиболее широко и в значительных объемах используются в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К таким тяжелым металлам относят свинец, кадмий, цинк, кобальт, никель, медь, олово, ванадий, марганец, хром и мышьяк. [24, 25].
Основным источником поступления ТМ в донные отложения являются взвешенные вещества, на которых сорбируются ТМ, попавшие в водный объект через различные источники. Водоток или водоем можно рассматривать как коллектор тяжелых металлов, выпадающих из атмосферы, поступающих с водосбора вместе с поверхностным, почвенным и грунтовым стоком. Причем последний, фильтрующийся через дно и берега водного объекта, является в ряде случаев значительным, но пока, к сожалению, недостаточно учитываемым фактором. Другими источниками поступления ТМ в водный объект являются эрозионный смыв почв, возвратные оросительные воды, а также сточные воды промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных предприятий.
Из перечисленных путей полностью антропогенным является лишь последний. По остальным в водный объект могут поступать вещества как антропогенного, так и природного характера.
Поскольку поступление ТМ из атмосферы происходит по всей территории водосбора, а водная поверхность, особенно реки, составляет лишь малую ее часть, ТМ, выпадающие с атмосферными осадками, участвуют преимущественно в формировании состава поверхностного, почвенного и грунтового стока [26].
Многообразие природных и техногенных факторов создает значительные трудности при экспериментальном изучении круговорота веществ в системе "водные массы — донные отложения". Особенно это касается изучения круговорота тяжелых металлов, существующих в природных водах и ДО в разных химических формах.
Попадающие в водный объект различными путями ТМ участвуют в процессах гидролиза, сорбции, десорбции, комплексообразования, осаждения и биопоглощения, вследствие которых ТМ меняют форму своего существования, переходят из жидкой фазы в твердую фазу взвесей и донных отложений, осаждаются в виде труднорастворимых соединений, вновь переходят в водный раствор.
Определение анионного состава донных отложений на ион-хроматографе "690 ION CHROMATOGRAPH"
К спектральным (оптическим) методам анализа относятся методы, основанные на идентификации эмиссионных и абсорбционных спектров веществ в инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой, рентгеновской и других областях спектра, а также методы, основанные на измерении интенсивности поглощаемого, излучаемого, отраженного или рассеянного света [74 - 77]. Во всех случаях в основе этих методов лежат квантовые переходы валентных или внутренних электронов атома из одного энергетического состояния в другое. Одним из наиболее замечательных свойств атомных спектров является их дискретность (линейчатая структура) и сугубо индивидуальный характер, что делает такие спектры опознавательным признаком атомов данного элемента. Определение концентрации интересующего элемента производят путем измерения интенсивности отдельных спектральных линий, называемых аналитическими.
Аппарат рентгеновский для спектрального анализа "Спектроскан MAKC-GV" представляет собой спектрометр сканирующий кристалл-дифракционный портативный вакуумный, предназначен для качественного и количественного рентгено-флуоресцентного анализа в соответствии с методиками выполнения измерений, аттестованными в установленном порядке, в диапазоне от натрия до урана. По интенсивностям аналитических линий может быть путем пересчета определено содержание химических элементов в образце. Диапазон определяемых содержаний от ОД - 0,001 % до 100 % без концентрирования и от 10 -10 %до долей процента с концентрированием.
Принцип действия спектрофотометра основан на последовательном выделении кристаллом характеристических линий флуоресцентного излучения исследуемого образца, возбуждаемого излучением острофокусной рентгеновской трубки, регистрации интенсивности этих линий и пересчета их в содержание соответствующих элементов.
Число импульсов, зарегистрированное за установленное время экспозиции пропорционально содержанию соответствующего химического элемента в образце, и, в зависимости от конкретной аналитической задачи, может быть пересчитано по различным методикам в концентрацию.
Для проведения эксперимента пробу измельчали, а затем конвективно сушили в течение 24 часов при температуре 20С, регулярно перемешивая. Такая "щадящая сушка" необходима для сохранения органических веществ, которые могут разрушиться при более высокой температуре. Затем производили гомогенизацию проб. Далее подготавливали специальные кюветы и взвешивали их, в которые потом добавляли образцы, массой 3 грамма каждый (с погрешностью в третьем знаке).
Для проведения испытаний исследуемые образцы устанавливались в пробозагрузочное устройство. С помощью персонального компьютера выбирался метод анализа. В качественном анализе задавалось время экспозиции (действия трубки на образец) и шаг (интервал отображения линий). Наличие в спектре линий данного элемента свидетельствовало о его присутствии в образце, а интенсивность этих линий позволяла судить о содержании элементов.
Качественное и количественное определение тяжелых металлов в донных отложениях проводилось также с использованием рентгено-флуоресцентной спектрометрии на SPECTROMETER SPECTRO XEPOS 76004814 в Германии на базе лаборатории инструментальной аналитики Высшей технической школы г. Крефельда.
На приборе Фурье-спектрометр (ФСМ - 1201) были произведены измерения оптических спектров в инфракрасной (ИК) области экстрактов органических фракций донных отложений, в состав которых входят соединения с высоким содержанием атомов углерода, жиры, фосфолипиды, полисахариды, белки, гуминовые кислоты, фульвокислоты.
ИК спектры поглощения несут обширную информацию о составе и свойствах пробы. Сопоставляя ИК спектр образца со спектрами известных веществ, можно идентифицировать неизвестное вещество. Проведенные исследования, на Фурье-спектрометре позволили выделить полосы поглощения, связанные с определенными функциональными группами, входящими в. состав биологических молекул донных отложений (белков, углеводов, липидов). Фурье-спектрометры определяют ИК спектр сканированием по сдвигу фаз между двумя частями разделенного светового пучка, что дает значительный выигрыш в фотометрической точности и точности отсчета длины волны. Спектральный диапазон прибора Фурье спектрометра 400-7800 см-1. С помощью Фурье-спектрометров спектры получают в два этапа: сначала регистрируется интерферограмма, т.е. выходной световой поток в зависимости от разности хода разделенной на когерентные пучки входной волны от источника, затем путём обратного преобразования Фурье (по разности хода) вычисляется спектр. Вторая часть требует относительно большого объема вычислений, поэтому метод получил широкое распространение только с появлением современных ТЖ. Встроенная в прибор мини-ЭВМ управляет прибором, выполняет фурье-преобразования, осуществляет накопление спектров, проводит различную обработку получаемой информации.
Пределы допускаемой абсолютной погрешности шкалы волновых чисел ±0,1 см-1, пределы допускаемого отклонения сигнала 100% пропускания от номинального значения ±0,5%, среднеквадратическое отклонение сигнала г 100% пропускания не более 0,025%.
Лабораторный прибор Фурье - спектрометр (ФСМ 1201) был 4 использован для качественного анализа жидких органических экстрактов, что позволило определить наличие колебательных полос, характерных для функциональных групп молекулярных соединений в органических составляющих донных отложений.
К составу органических веществ в донных отложениях
Для выявления качественного и количественного элементного состава образцов донных отложений были проведены исследования на наличие в них тяжелых металлов с использованием рентгено-флуоресцентной спектрометрии на SPECTROMETER SPECTRO XEPOS 76004814. Согласно экспериментальным данным, представленным в таблице 3.1, в пробах донных отложений в значительных количествах содержатся биогенные элементы - К (1.3%), Р (0.07%), Са (1.8%), Mg (0.03%), Na (0.2%), S (0.1%), I (0.001%), при наличии в образцах донных отложений значительного разнообразия и тяжелых металлов — Си (0.007%), Zn (0.012%), Мп (0.033%), Ni (0.0022%), Cd (0.0004%), Sr (0.018%), As (0.0024%), Co (0.0013%), Cr (0.0077%), Hg (0.0001%), Pb (0.013%) и т.д.
Проведенные определения содержания тяжелых металлов в усредненных пробах донных отложениях, отобранных на отвалах в устье реки Красненькая г. Санкт-Петербурга, и их сопоставление с предельно допустимыми концентрациями в почвах согласно гигиеническому нормативу ГН 2.1.7.2041-06 показали существенное превышение ПДК практически по всем определенным тяжелым металлам. (Таблица 3.3)
Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что в составе донных отложений, отобранных как в отвале устья реки Красненькая, так и непосредственно со дна рек и каналов Санкт-Петербурга, наряду с полезными для почв биогенными элементами (К, Р, N, гуминоподобные вещества) содержатся и токсичные тяжелые металлы в концентрациях малоразличимых в зависимости от места отбора проб. Основными загрязнителями, согласно полученным данным, являются никель, свинец, хром, кобальт, мышьяк, стронций и кадмий.
Многие тяжелые металлы находятся в концентрациях, превышающих установленные нормативы для почв [14,15]. Так, например, содержание никеля в проанализированных образцах в долях ПДК составляет 5,3; свинца -4,0; хрома - 13,2; меди - 2,0; цинка - 2,3; мышьяка - 3,0; стронция - 37,0; кадмия - 10,0. Содержание марганца в донных отложениях значительно ниже ПДК Мп для почв (1500 мг/кг). Учитывая это, а также природное происхождение этого элемента, можно сделать вывод о том, что марганец в донных отложениях экологически безопасен.
Полученные результаты измерений состава исходных проб донных отложений, свидетельствуют о целесообразности разработки методов извлечения ТМ перед утилизацией донных отложений в сельском хозяйстве.
Актуальность проблемы обезвреживания донных отложений от ТМ подчеркивают и литературные сведения [68, 78] о том, что при хранении ДО в отвалах тяжелые металлы из них различными путями (ветровая эрозия, медленное вымывание грунтовыми водами, перевод нерастворимых соединений металлов почвенными микроорганизмами в растворенные соединения, извлечение ТМ различными видами растений и т.д.) попадают в окружающую среду, т.е. главная цель — обеспечение экологической безопасности не достигается. Вместе с тем, для грамотного поиска технических средств обезвреживания донных отложений от тяжелых металлов необходимы сведения о составе органических веществ в ДО и формах нахождения в них ТМ. Данная задача была поставлена в настоящей работе, что и обусловило постановку нижеследующего исследования.
Органический углерод речных донных отложений имеет несколько путей образования, а именно: вынос органического вещества с суши в водоем с дальнейшей седиментацией; разложение остатков животных гидробионтов; разложение остатков растительных гидробионтов. Возрастающие темпы антропогенного воздействия на речные водные системы приводят к значительному накоплению загрязняющих органических веществ в донных отложениях. В донных отложениях аккумулируется большая часть органических веществ, в том числе наиболее опасных и токсичных — полициклические ароматические углеводороды, пестициды, полихлорбифенилы, и др. Основную часть общего органического загрязнения донных отложений составляют загрязняющие вещества нефтяного происхождения - сырая нефть, разнообразные продукты ее переработки и отходы неполного их использования. При определенных условиях, приводящих к изменению гидродинамической обстановки, состава и свойств воды и других факторов, они могут стать источником вторичного загрязнения водных масс. В работе использовались результаты анализов трех проб донных отложений для определения содержания в них органических соединений. Для выявления состава органической составляющей донных отложений были проведены исследования с использованием газовой хроматографии на масс-селективном детекторе (GC/MS). Анализы выполнены в Германии на базе лаборатории инструментальной аналитики Высшей технической школы г. Крефельда. В пробах было обнаружено более 60 органических веществ. Идентификация и интерпретация спектров, полученных с использованием газовой хроматографии, основана на использовании поисковых систем и представительных каталогов. Для идентификации органических соединений были использован банк спектров, насчитывающий около 100 тысяч спектров различных веществ.
Качественный анализ проводился путем определения времени выхода компонентов, которое при постоянном режиме работы хроматографа зависит от природы компонента. Хроматограммы исследованных образцов донных отложений представлены на рисунках 3.1, 3.2, 3.3. Площадь пиков пропорциональна количеству каждого компонента, а время выхода пика при- постоянном режиме работы прибора (постоянная температура колонки и скорость газа-носителя) характеризует природу компонента (таблица 3.4).
Исследование влияния магнитных полей на процесс извлечения тяжелых металлов из донных отложений
Таким образом, из проведенных исследований по извлечению тяжелых металлов с использованием кальциевых материалов установлено, что степень перехода металлов в жидкую фазу недостаточно велика и составляет 18-53%. Согласно ГОСТ Р 17.4.3.07- 2001 [2] при внесении осадков сточных вод в почву содержание в ней загрязняющих веществ не должно превысить 0,8 ПДК по ГН 2.1.7.020-94 [14, 15]. При возможной утилизации донных отложений в качестве органоминеральных удобрений или структурирующих элементов в сельском и садово-парковом хозяйствах возможно загрязнение почв тяжелыми металлами.. Для улучшения процессов обезвреживания донных отложений нами предложено использовать дополнительные воздействия. Учитывая наличие в донных отложениях различных магнитовосприимчивых соединений металлов и возможность их сепарирования от других веществ, возможно применение магнитной обработки для обезвреживания донных отложений от тяжелых металлов.
Извлечение тяжелых металлов из донных отложений с использованием магнитных полей производили непосредственно из донных отложений, а также из ДО, прошедших процесс обезвреживания замещением ТМ на кальций. Обработка донных отложений магнитным полем проводилась как в мокром, так и в сухом виде. При разделении донных отложений на магнитные и немагнитные компоненты использовались постоянные магниты (ферритовые и редкоземельные — неодим-железо-бор) и электромагниты.
Исследования проводились в лабораторных условиях, в соответствии с методикой, описанной в главе 2.8
В таблице 4.6 приведены магнитные характеристики редкоземельных магнитов NdFeB и ферритовых магнитов, использованных для извлечения тяжелых металлов из донных отложений.
Из проведенных исследований видно, что процесс перехода тяжелых металлов при воздействии магнитного поля на донные отложения, необработанные кальциевыми материалами проходит достаточно эффективно. Как видно из таблицы 4.7, в магнитной фракции, полученной при очистке ДО различными видами магнитов, наблюдается значительное содержание тяжелых металлов (концентрация ТМ достигает нескольких сотен и даже тысяч мг/кг сухой массы).
Содержание тяжелых металлов в магнитных фракциях, извлеченных из донных отложений различными видами магнитов ччн Концентрация ТМ (мг/кг) висходнойпробе в магнитной фракции (сухая сепарация) после обработки в магнитной фракции(мокрая сепарация,влажность 80%) послеобработки электромагнитом феррито-вым магнитом редкоземельным магнитом феррито-вым магнитом редкоземельным магнитом
Результаты исследований очистки ДО различными видами магнитов показали: - при обработке пробы ДО извлечение ТМ происходит практически одинаково, как при сухой, так и при мокрой сепарации; - воздействие постоянными магнитами (ферритовыми и редкоземельными) на сырье приводит к лучшим результатам по извлечению тяжелых металлов из донных отложений, по сравнению с электромагнитной обработкой; - процесс извлечения ТМ из ДО наиболее полно проходит при использовании редкоземельных магнитов.
Анализ содержаний ТМ в магнитных фракциях, полученных в результате обработки ДО различными магнитными полями, был проведен на аппарате "Спектроскан MAKC-GV". По интенсивностям аналитических линий (рисунки 4.4, 4.5) можно сделать вывод, что извлечение из донных отложений тяжелых металлов проходит более глубоко при использовании постоянных магнитов, особенно редкоземельного — NdFeB, что подтверждает данные, представленные ранее в таблице 4.7. Это объясняется тем, что технические характеристики редкоземельного магнита, приведенные ранее, значительно лучше характеристик ферритового магнита.
Магнитная обработка, как указывалось в разделе 1.6, имеет широкое практическое применение не только для- веществ, обладающих сильными магнитными свойствами, но для слабомагнитных материалов, таких как водные растворы, береговой песок. Практически все геологические образования в природе являются магнитными, большинство из них слабомагнитны [72, 108].
Способность вещества намагничиваться в магнитном поле, приобретая некоторый магнитный момент, характеризует магнитная восприимчивость. [109] Магнитная восприимчивость донных отложений обусловлена набором тяжелых металлов, обнаруживающих ферромагнитные свойства, содержание которых связано с химическим составом ДО условиями их образования а также характером вторичных изменений.
Основными загрязнителями донных отложений являются железо, никель, свинец, цинк, медь, хром, кобальт, мышьяк, стронций, кадмий. Ферромагнитные вещества, к которым относятся Fe, Со и Ni, обладают самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий. Ферромагнитны также многочисленные соединения металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами, соединения Сг и Мп с неферромагнитными элементами. Все эти ферромагнитные вещества в небольших количествах присутствуют в донных отложениях. Ферромагнитным порядком обладают также и неметаллические соединения, обычные органические и неорганические стёкла, халькогениды (сульфиды, селениды, теллуриды) и т. п.
