Экологическая безопасность композитного раствора содержащего золу

Цикл статей:

Глава 1 — Разработка технологии композитных цементно — бентонитовых систем с добавкой золы от сжигания шпал и применение их при строительстве и эксплуатации объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта
Глава 2 — Исходные материалы и методы исследования
Глава 3 — Разработка состава композитных растворов с заменой цемента золой от сжигания шпал
Глава 4 — Экологическая безопасность композитного раствора содержащего золу Глава 5 — Эколого-экономическое обоснование использования золы в производстве композитных растворов

При использовании золы в композитных растворах необходимым условием является полное обезвреживание ее токсичных элементов. В подземных горизонтах, куда подаются композитные растворы, могут присутствовать притоки грунтовых вод с различным значением рН. При взаимодействии с водой возможно выщелачивание токсичных компонентов из композитных растворов, содержащих золу.

Исследование токсичности водных вытяжек композитных растворов методом биотестирования

Для определения возможной токсичности вытяжек из композитных растворов использовали метод биотестирования на проростках пшеницы. Сначала отвержденные образцы с различным содержанием золы (от 0 до 20%) измельчали. Экстракцию измельченных образцов проводили в воде с различной кислотностью (рН: 5,6; 4,8; 2). Соотношение твердой фазы с водой составляло 1:5. Через сутки после периодического перемешивания отделяли фильтрат. Фильтратом увлажняли песок, на котором проращивали семена пшеницы. Через 3 суток определяли энергию прорастания, а через 7 суток — количество нормально развитых проростков, их всхожесть, число не взошедших семян, аномально развитых проростков. Полученные данные по проращиванию пшеницы в дистиллированной воде приведены в табл. 4.1.

В контрольном опыте соотношение песка и дистиллированной воды составляет 4:1. Параметры контрольного опыта сравнивали с показателями проращивания зерен пшеницы в вытяжках образцов, содержащих различное количество золы. Образец считается токсичным, если установлено снижение степени прорастания пшеницы, хотя бы по одному показателю на 20 и более процентов относительно контрольного опыта.

Энергия прорастания не является надежным экологическим показателем, т.к. этот показатель используется только для проверки качества семян. Семена считаются качественными, если энергия их прорастания находится в пределах 80-100%. Из таблицы 4.1 в опытах 1-10 семена в большинстве случаев характеризуются энергией прорастания от 80 до 100%, следовательно, все они являются качественными.

В каждой чашке определяли высоту и массу проростков. Затем проводили их усреднение. Для полученных средних значений определяли погрешность S:

Данные по влиянию золы на степень прорастания зерен пшеницы в фильтрате приведены в таблице 4.2.

По данным таблицы 4.2 построены диаграммы изменения высоты и массы побегов пшеницы в зависимости от содержания золы в образцах (рис. 4.1 и 4.2).

С увеличением содержания золы идет возрастание высоты проростков (рис. 4.1). При содержании 15% золы это увеличение достигает 24% по отношению к контролю. Затем с увеличением содержания золы в отвержденной системе высота проростков уменьшается и в образце с 50% золы, высота проростков снижается на 4%. по отношению к контролю.

На рис. 4.2 показано изменение массы проростков в фильтрате в зависимости от содержания золы. Масса проростков также имеет тенденцию к увеличению, как и высота проростков пшеницы. Она увеличивается до содержания в образце 15% золы, после чего происходит ее снижение.

Из рисунка 4.1 видно, что изменение высоты проростков с увеличением содержания золы изменяется нелинейно. Возрастание высоты проростков можно связать с переходом в фильтрат водорастворимых микроэлементов, таких как калий, кальций, находящихся в наружной части золы. Снижение длины проростков при содержании золы более 15% можно объяснить выходом тяжелых металлов (скорее всего никеля, мышьяка и меди) при выщелачивании, т.к. присутствие этих металлов отрицательно воздействует на рост семян пшеницы.

В последующих опытах исследовали изменение степени прорастания пшеницы при пониженной кислотности (рН = 4,8 и рН = 2) (табл. 4.3, 4.4. 4.5). Полученные данные свидетельствуют о том, что в растения при определённых условиях проникают небольшие количества водорастворимых форм загрязняющих веществ, что стимулирует рост клеток и дополнительное поступление воды для нейтрализации негативного действия указанных веществ на органы и ткани тест — культуры. При ещё большем увеличении концентрации золы этот механизм уже не срабатывает, и показатели возвращаются к уровню контроля.

Данные по влиянию количества золы в композитных растворах при рН-4,8 на показатели жизненности тест — культуры приведены в таблице 4.4 и на диаграмме (рис. 4.3).

Наибольшая высота проростков отмечена при содержании золы 10% и составляет 147,4 мм. Повышение концентрации золы приводит к достоверному снижению высоты относительно указанного варианта и контроля. Изменение массы проростков в указанном интервале концентраций находилось в пределах погрешности измерений.

В таблице 4.5 и на диаграмме (рис. 4.4) представлены данные, характеризующие влияние кислотности фильтрата на проростки пшеницы при содержании в образце 30% золы.

Высота проростков с уменьшением pH сначала увеличивается на 26%, а затем падает на 13% по сравнению с контролем. Значит, при pH = 2 вытяжка оказывает достоверно негативное действие на проростки пшеницы.

Увеличение высоты проростков при pH = 4,8 объясняется, скорее всего, присутствием большого количества железа. Его содержание в золе составляет 63837 мг/кг. Известно, что железо является важным микроэлементом для роста и развития растений. Оно регулирует дыхание, белковый обмен, а также биосинтез ростовых веществ. Также при pH = 4,8 создаются наилучшие условия для усвоения железа, в результате чего увеличивается степень прорастания зерен пшеницы.

Снижение высоты проростков тест объекта при pH = 2 можно объяснить переходом в фильтрат таких токсичных металлов, как мышьяк, никель, медь и олово. По данным химического анализа золы содержание их в золе составляет соответственно 15,125; 53,299; 326,96; 7863,5 мг/кг. Из литературных данных известно, что эти металлы в кислой среде переходят в подвижное состояние и негативно действуют на развитие растений.

Таким образом, pH — 4,8 создаёт оптимальные условия для развития тест — культур и, соответственно, наименьшее ингибирующее действие на живой организм.

Исследование фитотоксичности и агроэкологической оценки
композитных растворов

Фитотоксичность и агроэкологическую оценку композитного раствора содержащего золу от сжигания шпал проводили на вегетационной лабораторной установке, работающей в автоматическом режиме. Температура воздуха +25°С ± 1°С (при освещении) днем и +18°С±1°С ночью, относительная влажность воздуха 50-60%). Освещенность растений осуществлялась лампами «Reflux», с мощность 400 вт. На уровне верхней кромки посева освещенность составляла в пределах 15-18 клк.

Для выравнивания освещенности по вариантам и повторностям сосуды с растениями периодически меняли местами в пределах площади освещения. С фотопериодом 12 час, при суточном цикле 24 часа. Субстратом являлась почва — дерново-подзолистая среднесуглинистая хорошо окультуренная: при рН=4,5 и содержанием Са — 6,2 мг-экв/100 г почвы, магния — 2,4 мг-экв/100 г почвы, Р205 — 131 мг/кг почвы, К20 — 92 мг/кг почвы, гумуса — 2,1%.

В исследованиях в качестве биологических объектов использовали яровой ячмень «Носовский» и овес «Московский» на зеленую массу. Растения выращивали в трех кратной повторности в вегетационных пластиковых сосудах, емкостью 1 дм3. Посадку растений проводили наклюнувшимися семенами из расчета по 10 растений.

Минеральные удобрения М>К в форме нитроаммофоски в качестве питательного фона вносили во всех вариантах опыта в почву. В каждом варианте опыта вносили золу, независимо от сочетания компонентов и вида, вносили по 2,0 г/сосуд при перемешивании со всем объемом почвы. Влажность почвы в сосудах поддерживали весовым методом дистиллированной водой.

Полученные данные по оценки фитотоксичности и агроэкологической оценки композитных систем приведены на рис. 4.5 и 4.6.

По результатам анализа не выявлено токсичного действия золы в новом
композитном растворе, что подтверждает его экологическую безопасность.

Выводы

  1. Изучение токсичности золы проводили путем измерения высоты и веса проростков озимой пшеницы при различных рН вытяжек из композитных растворов с различной заменой цемента золой. Установлено, что в фильтрате с нейтральной средой с ростом содержания золы происходит уменьшение высоты проростков. При содержании в образце золы более 20% высота проростков уменьшается по отношению к контролю, что подтверждает негативное действие вытяжки на прорастание пшеницы.
  2. Установлено влияние кислотности фильтрата на проростки пшеницы при содержании золы от 1 до 50%. Высота проростков зависит от содержания золы и с уменьшением рН сначала происходит ее увеличение, а затем снижение и при замене более 20% цемента золой вытяжка становится токсичной.
  3. Экологическая безопасность композитного раствора содержащего золу подтверждена методами фитотоксичности и агроэкологической оценки по изменению зеленой массы овса и ярового ячменя полной спелости.

Список литературы

  1. Грим P.E. Минералогия глин. M.: изд-во иностранной литературы 1959. -456 с.
  2. Theng В. К. G. Formation and properties of clay-mineral complexes. Amsterdam, Elsevier, 1979. — 112 p.
  3. Park S.-J., Seo D.-I., Lee J.-R. Surface Modification of Montmorillonite on Surface Acid-Base Characteristics of Clay and Thermal Stability of Epoxy/Clay Nanocomposites // Journal of Colloid and Interface Science. 2002, V.251.-P. 160-165.
  4. Мак-Юан Д. M. К. Монтмориллонитовые минералы. В кн.: Рентгеновские методы изучения и структура глинистых минералов. Под ред. Г. Брауна. М.: Мир, 1965. — 599 с.
  5. Грим Р. Е. Минералогия глин. М.: Изд-во иностранной литературы. 1959.-433 с.
  6. Сало Д. П., Овчаренко Ф. Д., Круглицкий Н. Н. Высокодисперсные минералы в фармации и медицине. Киев: Наукова думка. 1969. — 232 с.
  7. Куковский Е. Г. Превращения слоистых силикатов. Киев: Наукова думка. 1973.-103 с.
  8. Okahata Y., Ando R., Kunitake Т. Phase Transition of the Bilayer Membrane of Synthetic Dialkyl Amphiphiles as Studied by Differential Scanning Calorimetry // Berichte Bunsenges Physical Chemistry. 1981, V. 85.-P. 789-798.
  9. Рентгенография основных типов породообразующих минералов. / Под ред. Франк-Каменецкого В.А. Л.: «Недра», 1983. — 359 с.
  10. Костов, И. Минералогия / И. Костов. — М.: Мир, 1971. — 584 с.
  11. Pivovarov, S. Theoretical structures of mineral-solution interfaces / S. Pivovarov // Surface Chemical Processes in Natural Environments. — Monte Verita, Ascona, Switzerland, 2000. — 46 p.
  12. Трофимова, Ф.А. Структурное и кристаллохимическое обоснование технологического модифицирования щелочноземельных бентонитов и бентонитоподобных глин: автореф. дис. канд. геолого-минерал, наук: 25.00.05 / Ф.А.Трофимова; ФГПУ «ЦНИИгеолнеруд». — М.: 2006. — 24с.
  13. Рощина Т.М. Адсорбционные явления и поверхность / Т.М. Рощина // Соросовский образовательный журнал. — 1998. — №2. — С. 89-94
  14. Грунтоведение / под ред. Е.М. Сергеева. — М.: Изд-во МГУ, 1983. — 389 с.
  15. Theng, В. К. G. Rormation and properties of clay-polimer complexes / В. K. G. Theng. — Amsterdams: Flsvier, 1979. — 362 p.
  16. Theng, В. K. G. Rormation and properties of clay-polimer complexes / В. K. G. Theng. — Amsterdams: Flsvier, 1979. — 362 p.
  17. Permezsi, T. Surface tractal and structural properties of layered clay mineral monitored by small-angle X-ray scattering and low-temperature nitropen
    adsorption experiments / Т. Permezsi, I. Dekani // Colloid Polym Sci. — 2003.-V. 281.-P. 73
  18. Брукхофф И.К. Строение и свойства адсорбентов и катализаторов /
    vy V
    И.К. Брукхофф, Б.Г. Линеен, И.И.Ф. Схоллен и др.; пер. с англ. — М.: Мир, 1973.-656 с.
  19. Грег С. Адсорбция, удельная поверхность, пористость / С. Грег, К. Синг. — М.: Мир, 1984. — 310 с.
  20. Сердюк А. И., Кучер Р. В. Мицеллярные переходы в растворах поверхностно-активных веществ. Киев: Наукова думка, 1987. — 203 с.
  21. Соколов В.Н. Глинистые породы и их свойства / В.Н. Соколов // Соросовский образовательный журнал. — 2000, Т.6, №9. — С. 59-65
  22. Королев В.А. Связанная вода в горных породах: новые факты и проблемы / В.А. Королев // Соросовский образовательный журнал. — 1996, №9.-С. 79-85
  23. Гедройц К.К. Избранные научные труды / К.К. Гедройц; под. ред. А.А. Роде. — М.: Наука, 1975. — 639 с.
  24. Залевский Н.И. Применение метода ртутной порометрии к исследованию макропористости природных сорбентов / Н.И. Залевский, В.Т. Быков // Методы исследования структуры высокодисперсных и пористых тел. -М.: АН СССР, 1958. — С. 267-271.
  25. Березюк В.Г. Изучение сорбционных свойств природных алюмосиликатов: дисс. д-ра хим. наук. / В.Г. Березюк. — Екатеринбург, 1993.-265 с.
  26. Розенгарт М.И. Слоистые силикаты как катализаторы / М.И. Розенгарт, В.Г. Вьюнова, Г.В. Исагулянц // Успехи химии. — 1988, Т.57, №2. — С. 204-227.
  27. Овчаренко Ф. Д. Гидрофильность глин и глинистых минералов. Киев: изд-во АН Украинской ССР, 1961. — С. 125-128.
  28. Рентгенография основных типов породообразующих минералов. Под ред. Франк-Каменецкого В. А. Л.: Недра, 1983. — 359 с.
  29. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. Ленинградская область: Химия, 1974.-351 с.
  30. Нильсен Л.Е. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. М.: «Химия», 1978. — 312 с.
  31. Fornes T.D., Paul D.R. Modeling properties of nylon 6/clay nanocomposites using composite theories. // Polymer, 2003, V.44. — P. 4993-5013
  32. Грим P.E. Минералогия глин. M.: изд-во иностранной литературы, 1959.-452 с.
  33. Браун Г. Рентгеновские методы изучения и структура глинистых минералов М.: «Мир», 1965. — 600 с.