Введение к работе
Актуальность темы и направленность исследований связана с необходимостью развития научно-обоснованных технических и технологических решений защиты окружающей природной среды на железнодорожном транспорте.
При строительстве и эксплуатации железных дорог необходимо учитывать требования к защите природной среды от разных неорганических и органических загрязнителей, наиболее опасными из которых являются ионы тяжелых металлов (ИТМ) и нефтепродукты. В работах ряда исследователей, например И.В. Казанцева, была определена закономерность распространения ионов тяжелых металлов в сторону от железнодорожного полотна, согласно которой наиболее загрязнены почвы на отрезке 0-20 м и концентрация тяжелых металлов снижается при перпендикулярном движении в сторону от головки рельса.
В соответствии с «Концепцией развития системы управления природоохранной деятельности холдинга «Российские железные дороги» приоритетными задачами «Экологической стратегии ОАО «РЖД» являются снижение негативного воздействия на окружающую среду на 35% к 2015 г. и на 70% к 2030 г. путем внедрения эффективных ресурсосберегающих природоохранных технологий при строительстве и эксплуатации железных дорог. Существующие технологии, предлагаемые как зарубежными, так и отечественными компаниями, обладают рядом существенных недостатков и не до конца отвечают современным требованиям экологической безопасности, поскольку их основная задача – восстановление последствий загрязнения природной среды, например, путем механического удаления загрязненных грунтов и почв и последующим их захоронением или обезвреживанием с использованием специальных установок.
Одной из задач природоохранной деятельности в ОАО «РЖД» в сфере охраны и рационального использования земель является снижение негативного воздействия на природную среду при строительстве и ремонте пути. Очевидно, что, используя возможные экозащитные резервы объектов железнодорожного транспорта, например, путем применения в них новых экозащитных средств, такие научно-обоснованные технические и технологические решения позволили бы в равной степени и обезвредить, и минимизировать загрязнения природной среды, если загрязнения происходят. Такие объекты приобрели бы новые экозащитные свойства, достаточные для минимизации негативного воздействия загрязняющих веществ на окружающую среду. Разработке такого рода научно-обоснованных технических и технологических решений посвящена данная работа.
Область исследования соответствует паспорту специальности 03.02.08 – «Экология» по пункту 3.6 «Научное обоснование, разработка и совершенствование транспортных средств, объектов и транспортных систем, методов нормирования проектной и изыскательской деятельности, обеспечивающих предотвращение и минимизацию негативного воздействия на природную среду».
Цель диссертационной работы – минимизация негативного воздействия ионов тяжелых металлов на объектах железнодорожного транспорта.
Для достижения поставленной цели были сформулированы основные задачи исследования.
Основные задачи работы.
-
Разработка метода, обеспечивающего минимизацию негативного воздействия ИТМ на объектах железнодорожного транспорта, и придание выбранным объектам экозащитных свойств за счет использования в них средств в виде минеральных геоантидотов (МГа).
-
Определение МГа и их количественных энергетических и экозащитных параметров, обеспечивающих минимизацию негативного воздействия ИТМ при строительстве и эксплуатации объектов железнодорожного транспорта.
-
Разработка экозащитных параметров технических и технологических решений с использованием МГа на объектах железнодорожного транспорта.
-
Опытно-промышленное опробование предложенных экозащитных технологических решений в действующих объектах железнодорожного транспорта РФ.
Научная новизна работы.
-
Разработан метод минимизации негативного воздействия ИТМ на объектах железнодорожного транспорта, включающий выбор и обоснование объектов и технологий железнодорожного транспорта, выбор МГа, и позволяющий предлагать новые экозащитные технологические решения. В качестве объектов железнодорожного транспорта выбраны и обоснованы железнодорожный путь и водоотводные сооружения, а в качестве технологий – технологии транспортного строительства с применением геосинтетических материалов и габионных конструкций. В качестве МГа определены техногенные вещества строительной деятельности в виде гидросиликатов кальция, а также искусственно полученные силикаты в виде портландцементного клинкера.
-
Рассчитаны энергетические параметры процессов экозащиты в рамках метода с помощью МГа в виде клинкера по величине изменения свободной энергии Гиббса, , которые в первом приближении соответствуют величинам энергии детоксикации – 80 кДж и которые свидетельствуют о том, что процесс защиты окружающей среды от ИТМ осуществляется самопроизвольно.
-
Предложено использовать в качестве количественной характеристики экозащитных свойств минеральных геоантидотов величину геоэкозащитной активности, Агэз, определяющую способность обезвреживать загрязнитель из окружающей среды и равный отношению массы обезвреженных загрязнителей к единице массы МГа; установлены физико-химические параметры, обеспечивающие высокие показатели обезвреживающей способности МГа. Определено, что Агэз искусственно полученного силиката в виде клинкера составляет по Pb (II) – 2,42 г/кг, по Cd (II) – 1,08 г/кг, по Cu (II) – 0,63 г/кг, Агэз для боя автоклавного пенобетона и силикатного кирпича составляет соответственно по Pb (II) – 2,41 - 2,48 и 2,21 - 2,41 г/кг, по Cd (II) – 1,02 - 1,05 и 0,64 - 0,99 г/кг при исходной концентрации растворов 10-4 моль/л, что превышает ПДК в 2000 раз и более.
-
Предложено использовать в качестве количественной характеристики экозащитного технологического решения коэффициент экоэксплуатации – kэ, который учитывает геоэкозащитную активность и время работы МГа, сроки между плановыми ремонтами объектов железнодорожного транспорта с экозащитными свойствами, уровень реального загрязнения поверхностных стоков ионами тяжелых металлов и другие параметры функционирования сооружений.
Положения, выносимые на защиту.
-
Метод минимизации негативного воздействия ИТМ на объектах железнодорожного транспорта, обеспечивающий выбранным объектам экозащитные свойства за счет использования в них МГа.
-
Выявленные для минеральных геоантидотов в виде искусственно полученных силикатов кальция, составляющих цементный клинкер, и техногенных гидросиликатов кальция в виде боя автоклавного пенобетона и силикатного кирпича количественные энергетические (по величине ) и экозащитные (по величине Агэз) параметры, обеспечивающие минимизацию негативного воздействия ИТМ на окружающую среду на железнодорожном транспорте.
-
Количественная характеристика экозащитного технологического решения – коэффициент экоэксплуатации, kэ, который учитывает геоэкозащитную активность минерального геоантидота, сроки между плановыми ремонтами объектов железнодорожного транспорта, уровень реального загрязнения поверхностных стоков ИТМ и другие параметры функционирования сооружений.
-
Результаты опытно-промышленного опробования предложенных экозащитных технологических решений в действующих объектах железнодорожного транспорта РФ.
Методы исследований.
В качестве основных методов исследований применялись:
химические методы – качественный химический анализ, рН-метрия, индикаторный метод распределения центров адсорбции;
физико-химические методы – потенциометрия, спектрофотометрия, ИК-спектроскопия, атомно-абсорбционная спектрометрия.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена использованием общепринятых, апробированных и законодательно рекомендованных методик и методов проведения исследований, подтверждается сходимостью экспериментальных данных с теоретическими исследованиями и результатами исследований других авторов.
Практическая значимость работы.
-
Предложенные научно-обоснованные экозащитные технические и технологические решения использованы в опытно-промышленном опробовании действующих объектов железнодорожного транспорта РФ с целью минимизации негативного воздействия ионов тяжелых металлов на окружающую природную среду.
-
Разработаны технологические операции по укладке МГа в виде боя силикатного кирпича в железнодорожный путь совместно с геомембраной, что позволило снизить концентрацию свинца (II) в поверхностных стоках с 0,036 мг/л (6ПДКрыб.-хоз.) до 0,0008 мг/л, при опытно-промышленном внедрении на примере подъездных путей станции Выборг, что подтверждает соответствующий акт. При этом коэффициент экоэксплуатации, kэ, при Агэз выбранного минерального геоантидота по свинцу (II), равной 2,41 г/кг, составил 4,67.
-
Показана возможность модифицирования технологических операций по устройству продольного водоотвода за счет использования МГа в виде боя автоклавного пенобетона, что позволило снизить концентрацию свинца (II) в поверхностных стоках с 0,0516 мг/л (8,6ПДКрыб.-хоз.) до 0,0001 мг/л, при опытно-промышленном внедрении на территории дистанции пути Окт. ж. д. (ПЧ-10) пос. Петро-Славянка Колпинского района, что подтверждает соответствующий акт. При этом коэффициент экоэксплуатации, kэ, при Агэз выбранного МГа по свинцу (II), равной 2,48 г/кг, составил 2,09.
-
Предложены технологические операции по устройству экозащитной габионной конструкции на выпуске из водоотводных лотков за счет замены части загрузки минеральным геоантидотом в виде цементного клинкера, что позволило снизить концентрацию меди (II) в поверхностных стоках с 11ПДКрыб.-хоз. до ПДКрыб.-хоз, при опытно-промышленном внедрении на примере реконструкции моста через р. Тихая на участке линии Корсаков-Ноглики Дальневосточной железной дороги острова Сахалин, что подтверждает соответствующий акт. При этом значения коэффициента экоэксплуатации, kэ, при Агэз выбранного МГа по меди (II), равной 0,63 г/кг, составил 0,12.
-
Рассчитан предотвращенный экологический ущерб, который составил при опытно-промышленном внедрении МГа в виде боя силикатного кирпича, боя автоклавного пенобетона и цементного клинкера из расчета на 1 км пути 650 тыс. руб./год.
Личный вклад автора работы заключается в постановке цели, формулировке задач и разработке методики исследований, выполнении теоретических и экспериментальных исследований по определению геоэкозащитной активности искусственно полученных и техногенных силикатов и гидросиликатов, разработке технологических решений для защиты окружающей среды, формализации разработанных экозащитных и технологических параметров в математическую модель, эколого-экономической оценке.
Реализация результатов работы:
экозащитные технологические решения с использованием минеральных геоантидотов, апробированные во время ремонтных работ объектов производственно-транспортного комплекса РФ (объекты филиалов ОАО «РЖД»: Октябрьская, Дальневосточная железные дороги), подтвердили снижение уровня загрязнения поверхностных вод вблизи железнодорожного полотна. По результатам опытно-промышленной апробации получены соответствующие акты;
материалы диссертационной работы защищены патентом РФ №2477708 и использованы в учебном практикуме по химии для студентов дневной формы обучения по специальности «Инженерная защита окружающей среды».
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог» (Иркутск, 2010), на XI Окружной конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (Сургут, 2010), на Второй международной научно-практической конференции «Техносферная и экологическая безопасность на транспорте» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2010), на межвузовской научно-технической конференции «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы (Неделя науки – 2011)» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2011) с присвоением диплома за первое место, на Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2011» (Ростов-на-Дону, 2011), на второй межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2011), на Всероссийском заочном молодежном конкурсе научно-исследовательских и творческих работ по проблемам культурного наследия, экологии и безопасности жизнедеятельности «ЮНЭКО – 2011» (Москва, 2011) с присвоением диплома «Лауреата конкурса», на межвузовской научно-технической конференции «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы (Неделя науки – 2012)» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2012), на V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (Новосибирск, 2012), на X научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» (Москва, МИИТ, 2013), на Международной научно-технической конференции «Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов» (Санкт-Петербург, ПГУПС, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатных работы, в том числе 7 в изданиях по списку, рекомендованному ВАК РФ, 1 патент и две монографии.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы. Диссертация изложена на 146 страницах печатного текста, содержит 53 рисунка, 25 таблиц, 5 приложений. В списке литературы приведено 149 источников.
