Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В условиях техногенного загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами почвы нуждаются в снижении активности этих тяжелых металлов в почвенном слое в доступной для растений форме и в оптимизации питательного режима путем компенсации утрачиваемых кальция, магния, марганца и других микроэлементов, что достигается их внесением в почву в виде удобрений и мелиорантов, а также регулированием кислотности почв. Водорастворимые удобрения оказывают благоприятное воздействие на растительность, но они быстро вымываются из почвы, поэтому их использование не всегда оправдано. При известковании почвы поступление тяжелых металлов в растения уменьшается, так как образуются гидроксиды, карбонаты и фосфаты присутствующих в почве тяжелых металлов. Однако при известковании резко снижается кислотность почв, что приводит к полной перестройке микробиоты в почвах с естественным растительным покровом, к которым относятся урбанизированные почвы городских территорий и почвы, расположенные около промышленных предприятий, загрязняемые тяжелыми металлами и кислотными осадками. Эти факторы вызывают развитие несвойственной для наших природных условий растительного покрова со слабой устойчивостью. Необходимы такие мелиоранты, которые могли бы компенсировать недостаток элементов питания, но не приводили к существенной смене почвенного покрова.
С другой стороны социально-экономическое развитие Европейского Севера России будет определяться освоением новых минерально-сырьевых ресурсов, что увеличит вредную техногенную нагрузку на природу, в том числе на земельные площади. Реализация стратегии социально- экономического развития России до 2020 года, обеспечения экономической безопасности страны связана с необходимостью существенного повышения эффективности отечественного производства, конкурентоспособности продукции. Поэтому на изучение и решение вопросов сохранения необходимой для нормальной жизнедеятельности природной среды необходимо проведение исследовательских работ по снижению нарастающей вредной техногенной нагрузки на природу. На стадии добычи сырья некондиционное сырье отправляется в хвостохранилища, которые занимают значительные земельные площади, вызывая техногенные загрязнения.
Эффективная политика технического развития и перевооружения возможна путем реализации снижения затрат предприятий, включая переработку техногенных отходов, повышения конкурентоспособности продукции и увеличения производительности труда путем повышения результативности производства. Имеющиеся во вторичных отвальных хвостах обогащения апатитомагнетитовых руд Ковдорского месторождения фосфор и магний (до 4% P2O5 и до 27% MgO) до настоящего времени не используется, мелкодисперсные техногенные отходы складируются в хвостохранилище (балансовые запасы на 2005 г. оцениваются в 31,6 млн. тонн и продолжают расти). Другим техногенным отходом в производстве элементарного фосфора является мелочь фосфоритов крупностью менее 10 мм, которая складировалась более 40 лет недалеко от фосфорного завода в Самарской обл. (балансовые запасы оцениваются в 640 тыс. тонн). Основной продукт Ковдорского ГОКа (апатитовый концентрат) поступает в вагонах на химические предприятия для производства кормовых фосфатов, поэтому транспортировка этим же транспортом мелочи фосфоритов в обратном направлении не будет вызывать дополнительных трудностей.
Вместо отходов Ковдорского месторождения и отходов фосфатного сырья для производства фосфора, рассмотренных в представляемой работе, полученные результаты можно использовать и для получения нового мелиоранта из любых месторождений фосфатного сырья с низким содержанием P2O5 до 17% и повышенным содержанием магния, которые не удовлетворяют требованиям для переработки кислотными методами в экстракционную фосфорную кислоту или для термического получения фосфора.
В настоящее время актуальным является поиск дешевых мелиорантов. Нужна такая система удобрений и мелиорантов, которая мягко компенсирует недостаток элементов питания почвы. Имеющиеся в составе отходов фосфатного сырья Ca и Mg, в основном в виде силикатов и гидросиликатов и P2O5, после термической обработки можно перевести в доступную для растений форму, что позволит использовать их для снижения кислотности почв и уменьшения содержания тяжелых металлов в доступной для растений форме, а присутствующий фосфор позволяет использовать полученный продукт как фосфорное удобрение. По своим свойствам эти отходы, после соответствующей термической переработки должны улучшать земли с неблагоприятными химическими и физическими свойствами. Химическая мелиорация почв с их помощью сможет улучшить их свойства и повысить урожайность сельскохозяйственных культур.
Для решения этой проблемы необходимо провести комплексное исследование научных и технических проблем с применением вычислительного эксперимента, рассмотреть влияние физико-химических превращений, происходящих с отходами в ходе переработки, их структуру и свойства методами физической химии. Провести апробацию полученного мелиоранта в почвенном слое.
Необходимость выработки рекомендаций по снижению техногенной нагрузки на природную среду при более полном освоении минеральных ресурсов региона определяют научно-практическую значимость и актуальность исследований. Получение химического мелиоранта из техногенных отходов фосфатного сырья, химическая мелиорация которого позволяет блокировать поступление в растения тяжелых металлов, переводя их в недоступную для растений форму, одновременно обогащая почву фосфором. Мелиорант из отходов в кислых почвах увеличивает содержание магния и фосфора, уменьшает содержание водорода и алюминия, в солонцах - натрия.
Исследование влияния нового мелиоранта из техногенных отходов фосфатно-магниевого сырья на свойства почв, позволяющего химической мелиорацией улучшать плодородие почв и уменьшать содержание тяжелых металлов в доступной для растений форме, решаемые в диссертации являются актуальными.
Цель и задачи работы. В представленной работе преследуется следующая цель – разработка нового мелиоранта из отходов фосфатно-магниевого сырья и исследование его влияния на свойства почв, в том числе почв, загрязненных тяжелыми металлами.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
- обоснование приемов и методов утилизации отвалов выработанных месторождений;
- разработка методов переработки вторичных отходов обогащения апатито-магнетитовых руд на основе рационального комплекса технологических процессов переработки в целях получения качественно новых материалов, позволяющих снизить техногенную нагрузку на окружающую среду и обеспечить рациональное использование вторичных материальных ресурсов;
- установление закономерностей, необходимых для разработки рекомендаций по технологическому процессу, обеспечивающих оптимальные параметры процесса и способствующих снижению себестоимости.
- разработка рациональных технологических методов, обеспечивающих эффективное использование вторичного сырья;
- выявление физико-химических и механических основ переработки вторичных отходов;
- осуществление промышленной апробации и реализации разработанных технологических методов и оценка их экологической и экономической эффективности;
- изучение особенности изменения кислотности и содержания в почвенном слое тяжелых металлов в доступной для растений форме от внесения полученного нового мелиоранта из техногенных отходов фосфатно-магниевого сырья.
Областью исследования являются:
- исследование технологий переработки отходов, содержащих фосфор и магний;
- создание нового мелиоранта для восстановления деградированного почвенного покрова с кислотной реакцией и при загрязнении тяжелыми металлами;
- исследование методов и способов мелиорации земель, их влияния на свойства компонентов природы мелиорантом из отходов фосфатного и магниевого сырья.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Предложены и сформулированы новые представления и подходы к решению проблемы безопасной утилизации и рационального комплексного
использования вторичных отходов, содержащих фосфор и магний, для получения конкурентоспособного мелиоранта. Произведено экспериментальное обоснование новых методов безопасной утилизации и переработки этих отходов.
2. Выявлены основные факторы рецептурного характера и условия проведения технологического процесса получения нового мелиоранта.
3. Термодинамическими расчетами доказаны возможные схемы химических реакций в материалах, полученных из вторичных техногенных отходов, содержащих фосфор и магний.
4. Установлены закономерности перехода оксида магния в лимонно-растворимую форму от модуля кислотности шихты.
5. Установлены свойства полученного нового мелиоранта уменьшать в почвенном слое содержание тяжелых металлов в доступной для растений форме.
6. Предложен метод оценки состояния и управления природно- техническими системами при разработке техногенных месторождений, содержащих фосфор и магний.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Метод утилизации и переработки вторичных техногенных отходов, содержащих фосфор и магний, для получения нового мелиоранта.
2. Метод получения нового мелиоранта из вторичных техногенных отходов фосфатно-магниевого сырья.
3. Метод повышения лимонно-растворимых компонентов в новом мелиоранте для химической мелиорации почв с целью улучшения их свойств.
4. Метод оценки состояния и управления природно-техническими системами при разработке техногенных месторождений, содержащих фосфор и магний.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена: результатами обобщения и анализа представленного объема статистических данных; применением современных научных методов; результатами расчетов, выполненных для техногенных отходов некондиционного фосфатного сырья; положительными результатами применения разработанных положений при переработке техногенных отходов некондиционного фосфатного сырья при опытных и опытно-промышленных испытаниях, подтвержденных актами испытаний.
Практическая значимость работы. Разработаны рекомендации по переработке отходов фосфатно-магниевого сырья для получения нового мелиоранта, с учетом физико-химических и технологических свойств компонентов твердых отходов, обеспечивающие решение задач ресурсосбережения и охраны окружающей среды. Получен новый мелиорант, проявляющий себя как нейтрализатор почвенной кислотности и активного алюминия. Предложена
технологическая схема промышленного производства, подтвержденная опытно-промышленными испытаниями.
Реализация работы. Результаты, полученные в работе, приняты для внедрения на Ковдорском ГОКе, что подтверждено актом на внедрение результатов диссертационной работы в производство. Мелиорант апробирован на почве, что подтверждено актами испытаний.
Личный вклад автора. Научные результаты, вынесенные на защиту, получены автором самостоятельно. В совместных работах ему принадлежат постановка задач, их анализ, выбор математических моделей и численных
алгоритмов в решении задач оптимизации процессов, установленные закономерности и разработанные методы, организация и участие в проведении экспериментальных исследований для подтверждения расчетных характеристик.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: шестой Всесоюзной конференции по фосфатам «Фосфаты- 84 » (АН Каз. ССР, г. Алма- Ата, 1984); межотраслевой научно-практической конференции « Новые технические решения в области использования вторичных материальных ресурсов и отходов производства » (г. Куйбышев,1985);научно- технической конференции молодых ученых и специалистов (г. Тольятти, 1985); Всесоюзном совещании «Развитие фосфорной промышленности в XII пятилетке» (г. Чимкент, 1986); Международных научных конференциях «The problems of mathematics education and culture» (Togliatti, 2003) и «Mathematics and its applications» (Togliatti,2005); 43-й и 44-й научно-технической конференции УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях» (г.Ульяновск, 2009 и 2010); 8-й и 9-й Международных научных конференциях «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (г.Москва-Таллинн,2009), (Москва-Котону (Бенин), 2010.
Публикации. Основные результаты опубликованы в 33 печатных работах, в том числе 18 печатных работ опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий ВАК, отражающих основные результаты докторских диссертаций, в монографии, а также статьи в трудах высших учебных заведений и научно-исследовательских институтов, в материалах и трудах Международных и Всероссийских научных конференций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Полный объем составляет 232 страницы машинописного текста, включая 36 рисунков, 24 таблицы, библиографию, содержащую 228 названий, приложения на 5 страницах, включающие акты внедрения и передачи.
