Минимизация негативного воздействия ионов свинца на геосистемы минеральными сульфатсодержащими строительными и природными средствами Бобровник Анна Борисовна

Введение к работе

Актуальность темы исследования связана с необходимостью осуществления строительной и хозяйственной деятельности с учетом повышения «уровня экологической безопасности и сохранения природных систем» (государственная программа Российской Федерации «Охрана окружающей среды» на 2012 - 2020 годы). К загрязнениям объектов строительной и хозяйственной деятельности относится свинец и его неорганические соединения, являющиеся вредными веществами 1-го класса опасности. В 80% случаев в городах России наблюдаются превышения допустимых концентраций свинца в почве до 150 мг/кг. Среднее значение концентрации ионов свинца в почвах жилых районов, промышленных зон и зон перспективной застройки Санкт-Петербурга, по данным Российского геоэкологического центра, превышает 2,6 ПДК. В соответствии с Федеральным Законом РФ «Об экологической экспертизе», экологический контроль ограничивает ведение строительной и хозяйственной деятельности на объектах с превышением норм ПДК в почвах.

Поэтому поиск строительных и природных средств, использование которых приведет к обезвреживанию (детоксикации) ионов свинца, актуален для строительной и хозяйственной деятельности.

К числу материалов, применяемых в строительстве, относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие, на основе которых получают гипс, пеногипс, гипсокартон, стекломагнезит, фибролитовые плиты, ксилолит. Перечисленные материалы, а также некоторые природные растворы (морская вода и природные воды сульфатного класса магниевой группы) имеют сульфатокальциевую или магнезиальную природу.

Диссертационная работа посвящена исследованию возможности детоксикации геосистем, содержащих подвижные формы ионов свинца, с использованием систем сульфатокальциевой и магнезиальной природы, а также природных растворов.

Область исследования соответствует требованиям паспорта специальности ВАК 25.00.36 – Геоэкология (в строительстве и ЖКХ) по пунктам 5.14. «Теория, методы, технологии и средства оценки состояния, защиты, восстановления и управления природно-техногенными системами, включая агроландшафты на основе осуществления строительной, хозяйственной деятельности и эксплуатации ЖКХ»; 5.16. «Технические средства, технологии и сооружения для локализации и ликвидации негативных природных и техногенных воздействий на окружающую среду при осуществлении строительной и хозяйственной деятельности».

Степень разработанности темы исследования. Теоретическими и методологическими основами диссертационной работы стали труды российских ученых Санкт-Петербургской, Московской, Самарской, Белгородской и других научных школ в области решения

геоэкологических задач строительной отрасли (Сватовская Л. Б., Осипов В. И., Мироненко В. А., Станис Е. В., Галимов Э. М., Трофимов В. Т., Васильев А. В., Анфилофьев Б. А., Быков Д. Е., Петин А. Н., Свергузова С. В., Корнилов А. Г., Шершнева М. В., Кнатько В. М., Бабак Н. А. и др.).

Цель диссертационной работы состояла в минимизации негативного воздействия ионов свинца на геосистемы минеральными сульфатсодержащими строительными и природными средствами.

Основная идея диссертационной работы состояла в представлении о том, что при осуществлении строительной и хозяйственной деятельности детоксикация ионов свинца возможна при использовании минеральных сульфатсодержащих строительных и природных средств за счет изменения внутренней энергии при их взаимодействии с ионами свинца. Детоксикация осуществляется путем самопроизвольного образования труднорастворимых соединений, являющихся аналогами природных минералов (англезит и церуссит), самопроизвольность процесса детоксикации характеризует отрицательное значение изменение энергии Гиббса.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Обосновать и доказать геоэкозащитные свойства минеральных строительных изделий сульфатокальциевой и магнезиальной природы, а также природных растворов как средств для минимизации негативного воздействия ионов свинца на геосистемы.

2. Разработать технологические решения для строительной и хозяйственной деятельности на основе рассматриваемых средств для минимизации негативного воздействия ионов свинца на геосистемы и провести опытно-промышленную апробацию.

3. Оценить качество предлагаемых технологических решений методом PQ (property quality) и расчетом предотвращенного экологического ущерба.

Научная новизна:

1) Термодинамически обоснована возможность связывания ионов
свинца в труднорастворимое соединение, аналогичное природному
англезиту с помощью минеральных веществ сульфатокальциевой и
магнезиальной природы. Понижение свободной энергии Гиббса при этом
соответствует значениям до -12,110⁴ кДж/т и до -38,510⁴ кДж/т для
сульфатокальциевых и магнезиальных систем соответственно. Показано,
что такому уровню понижения энергии соответствуют геоэкозащитные
емкости сульфатокальциевых и магнезиальных систем до 5,6 мг/г (2,34
мг/см²) и 6 мг/г (2,35 мг/см²) соответственно.

2) Термодинамически обоснована возможность увеличения
геоэкозащитной емкости сульфатсодержащих строительных систем до 27,5
мг/г с образованием вещества аналогичного природному церусситу.
Повышение ёмкости осуществляется введением в строительную систему

карбонатов, понижающих свободную энергию Гиббса сульфатокальциевых и магнезиальных систем до -58,610⁴ кДж/т и до -55,710⁴ кДж/т соответственно.

3. Установлено, что природные минеральные растворы, содержащие, в том числе, сульфат-анионы, и связывающие ионы свинца в труднорастворимые соединения типа англезита, могут быть рассмотрены как средства минимизации негативного воздействия ионов свинца на окружающую среду.

4. Предложены формулы для расчета массы минеральных строительных изделий сульфатокальциевой и магнезиальной природы и объема природных растворов для удельного (на 1 ПДК) снижения концентрации ионов свинца в геосистеме.

Практическая значимость работы:

1. Обнаруженные и исследованные в диссертационной работе геоэкозащитные свойства минеральных строительных сульфатокальциевых и магнезиальных систем и природных растворов позволяют использовать их в строительной и хозяйственной деятельности как средства минимизации негативного воздействия ионов свинца на геосистемы, что позволяет создавать на их основе превентивные и ликвидационные геоэкозащитные технологические решения.

2. По предложенным в работе формулам определено, что для удельного снижения концентрации ионов свинца на 1 тонну почвы необходимо внести до 5,3 кг минеральных строительных изделий сульфатокальциевой и магнезиальной природы. Показано, что использование модифицированных минеральных строительных изделий позволяет уменьшить расход средств в 4 раза.

3. По предложенным в работе формулам определено, что для удельного снижения концентрации ионов свинца на 1 тонну почвы необходимо внести до 20 л природных вод сульфатного класса магниевой группы (S^Mg_II) (слабой минерализации) или 12 л морской воды (с учетом солености Балтийского моря).

4. На территории ООО «УМиАТ-98» муниципальный округ Автово, дорога на Турухтанные острова, была проведена апробация использования средств для минимизации негативного воздействия ионов свинца на геосистемы в превентивных геоэкозащитных технологических решениях. Анализ грунта показал постепенное снижение концентрации ионов свинца в 10 раз, остаточная концентрация составляла 5,0 мг/кг. По результатам апробации получен соответствующий акт.

5) На территории ООО «Строительная компания «Выдрица»
Ленинградская область, Гатчинский район, пос. Вырица была проведена
апробация использования средств для минимизации негативного
воздействия ионов свинца на геосистемы в ликвидационных
геоэкозащитных технологических решениях путем инъектирования и

орошения природными растворами. Анализ грунта показал снижение концентрации ионов свинца в 10 раз, остаточная концентрация составляла 5,0 мг/кг. По результатам апробации получены соответствующие акты.

6. Проведена эколого-экономическая оценка предложенных превентивных и ликвидационных геоэкозащитных технологических решений на основе расчета предотвращенного экологического ущерба. Расчет показал, что при снижении концентрации ионов свинца в почве до уровня ПДК общая величина предотвращенного экологического ущерба достигает 2 580,30 тыс. руб/год. Проведена оценка качества предложенных технологических решений методом расчёта индекса PQ. Превышение значений индексов PQⁿ предложенных технологических решений по сравнению с вывозом загрязнённого грунта на полигоны достигает 90%.

7. Материалы диссертационного исследования используются в учебном процессе кафедры «Инженерная химия и естествознание» ФГБОУ ВО ПГУПС в виде учебного пособия «Химия и микробиология воды», направление 08.03.01 «Строительство», уровень образования – бакалавриат.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач применялись следующие методы исследования: ионометрический метод, качественный химический анализ, микроскопический метод (с использованием металлографического микроскопа Альтами МЕТ 6С); оценка качества методом расчёта индекса PQ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Обоснование геоэкозащитных свойств минеральных
строительных изделий сульфатокальциевой и магнезиальной природы, а
также природных растворов как средств минимизации негативного
воздействия ионов свинца на геосистемы и управление этими свойствами.

2. Технологические решения для строительной и хозяйственной деятельности на основе рассматриваемых средств для минимизации негативного воздействия ионов свинца на геосистемы и их опытно-промышленная апробация.

3. Оценка качества предлагаемых технологических решений методом PQ и расчетом предотвращенного экологического ущерба.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена использованием апробированных и утвержденных методик и методов проведения исследований; подтверждается сходимостью экспериментальных данных с теоретическими предположениями.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы были изложены и обсуждены на конференциях: «Инновационные технологии в строительстве и геоэкологии: II, IV и V Международные научно-

практические конференции (2015, 2017, 2018); «Геоэкохимия защиты литосферы: I, II, III, IV Международные научно-практические интернет-конференции (2015, 2016, 2017, 2018); «Актуальные вопросы науки: XXV Международная научно-практическая конференция (2016)»; «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы: LXXVII Всероссийская научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых» (2017); «Профессиональное образование, наука и инновации в XXI веке: XI Санкт-Петербургский конгресс (2017); «Transportation Geotechnics and Geoecology», TGG 2017 (2017) (Геотехника и геоэкология на транспорте).

Личный вклад автора заключается в постановке цели, формулировке задач исследований, разработке методики исследований, выполнении теоретических и экспериментальных исследований геоэкозащитных свойств сульфатсодержащих строительных и природных средств и оценке технологических решений для защиты геосистем от ионов свинца для строительной и хозяйственной деятельности.

Публикации. Основные положения диссертационного исследования отражены в 24 печатных работах, из них 1 в международных изданиях, включенных в системы цитирования Web of Science и Scopus, 7 в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ. Получен 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка сокращений, списка литературы. Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 36 таблиц и включает 7 приложений на 48 листах. Список литературы содержит 218 наименований.