Автор: Родькина Ирина Алексеевна
Название работы: Грунтовые композиты с добавлением карбамидной смолы с высокой сорбционной емкостью для создания многослойного защитного экрана по отношению к свинцу
|
Присвоенная ученая степень: кандидат геолого-минералогических наук
Специальность: 25.00.36 - Геоэкология
Классификационный индекс:
Ведущая организация:
Руководитель:
доцент кандидат геолого-минералогических наук Самарин Евгений Николаевич;
Оппонент:
профессор доктор геолого-минералогических наук Дмитриев Виктор Викторович;
доцент кандидат геолого-минералогических наук Огородникова Елена Николаевна;
Место защиты: ауд. 415, геологический факультет МГУ
Дата защиты: 2010-03-19 14:30
Издательство: Москва
Количество страниц: 165
Язык: русский
Содержание работы:
Общая характеристика работы.
Глава 1. Противофильтрационные и сорбирующие экраны, используемые при эксплуатации полигонов захоронения отходов.
Глава 2. Эколого-геологическая роль свинца в окружающей среде.
Глава 3. Исследование сорбции свинца грунтовыми композитами и компонентами многослойного защитного экрана.
Глава 4. Воздействие грунтовых композитов и компонентов многослойного защитного экрана на сорбцию свинца.
Глава 5. Оценка эффективности функционирования защитных экранов используемых при эксплуатации полигонов захоронения свинецсодержащих отходов.
Выводы.
Публикации по теме диссертации.
|
Реферат:
Общая характеристика работы.
Актуальность работы. Возрастающие темпы развития промышленности и необычайно высокие темпы урбанизации территорий приводят к трансформации окружающей среды. Происходит загрязнение
территорий, выражающееся в виде увеличения объемов твердых отходов, жидких стоков, пылеватых и газовых выбросов. Соответственно на сегодняшний день, чрезвычайно остро стоит
проблема складирования в окружающей среде большого количества загрязняющих и отравляющих веществ в виде различных полигонов захоронения отходов.
В России строительство полигонов захоронения отходов обычно ведется из местных грунтов с низким коэффициентом фильтрации. При отсутствии малопроницаемых грунтов, существующие
нормативные документы (СНИП 2.01.28-85, 1985; Санитарные правила СП 2.1.7.1038-01, 2001) предусматривают использование специально разработанных покрытий, с низкими коэффициентами
фильтрации. Для полного предотвращения возможности проникновения загрязняющих веществ в подстилающие грунты и водоносные горизонты необходимо применять комплексный подход,
включающий не только предотвращение фильтрации, но и надежное фиксирование токсикантов на искусственном геохимическом барьере. В этом случае система защиты окружающей среды
от проникновения токсикантов получится многослойной (многослойный защитный экран) (см. рис.1). В качестве подобного геохимического барьера можно предложить к использованию
грунтовый композит с высокими сорбционными свойствами.
Рис.1. Схема многослойного защитного экрана
До настоящего времени предпринимались немногочисленные попытки трансформации грунтов с точки зрения их сорбционной способности, например, добавлением силикатных гелей, негашеной
извести, глинистого вещества и т.д. Однако следует иметь в виду, что, при изменении pH среды или воздействии реагентов, такие грунты начинают работать как вторичный загрязнитель,
отдавая сорбированные токсиканты обратно в окружающую среду. Соответственно, вопрос создания сорбирующего модифицированного грунта не может считаться решенным.
Перспективными для создания подобного геохимического барьера могут быть грунтовые композиты с добавлением карбамидной смолы, так как отходы большинства производств имеют кислую
или слабокислую среду, а именно в такой среде карбамидные смолы полимеризуются, причем необратимо. Таким образом, целью настоящей работы является разработка рецептуры обезвреживания
токсикантов путем накопления на геохимическом барьере многослойного защитного экрана. В качестве геохимического барьера предлагается использовать грунтовые композиты с добавлением
карбамидной смолы для повышения их сорбционной емкости по отношению к загрязняющим веществам.
В качестве загрязняющего вещества был выбран свинец, т.к. с точки зрения влияния на нормальную жизнедеятельность живых организмов, этот тяжелый металл является одним из наиболее
опасных элементов, т.к. не обладает никакими биологическими функциями, из-за чего токсичен для живых организмов при любых концентрациях.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
Рассмотреть конструкции и условия применения различных противофильтрационных и сорбирующих защитных экранов, используемых при эксплуатации полигонов складирования и захоронения
отходов;
Рассмотреть поведение свинца в окружающей среде, способы миграции соединений свинца;
Изучить сорбцию свинца грунтовыми композитами и компонентами многослойного защитного экрана, для чего разработать комплексную методику исследований;
Исследовать особенности взаимодействия каждого компонента предлагаемой системы многослойной защиты (геохимического барьера и малопроницаемого слоя) со свинцом;
Оценить сорбционную емкость геохимического барьера и системы многослойной защиты по отношению к свинцу;
Разработать оптимальную рецептуру геохимического барьера по отношению к свинцу;
Оценить эффективность функционирования защитных экранов, используемых при эксплуатации полигонов складирования и захоронения свинецсодержащих отходов;
Разработать принципиальную схему защитных покрытий и экранов, предлагаемых к использованию при эксплуатации полигонов складирования и захоронения свинецсодержащих отходов;
Произвести предварительные расчеты эффективности работы предлагаемого геохимического барьера.
Научная новизна
1. Впервые изучено взаимодействие многослойного защитного экрана, состоящего из малопроницаемого слоя (монтмориллонит) и геохимического барьера (карбамидно-песчаный композит)
со свинцом. Показано, что сорбционная емкость геохимического барьера, по отношению к свинцу зависит от соотношения объемов смолы и песка (оптимальное 1:1,5), гранулометрического
состава песка (оптимально среднезернистый), скорости и режима фильтрации.
2. Изучено взаимодействие каждого из компонентов предлагаемой системы многослойной защиты с раствором соли свинца. Показано, что эффективность каждого компонента, как геохимического
барьера различна: монтмориллонит способен сорбировать до 300 мг свинца на г монтмориллонита; песок сорбирует до 2 мг свинца на г песка; карбамидная смола сорбирует до 60 мг
свинца на г смолы.
3. Устойчивость каждого из компонентов системы многослойной защиты при воздействии реагентов, рекомендуемых отечественными и зарубежными нормотивными документами, различна:
монтмориллонит при использовании постадийной экстракции отдает более 90% свинца обратно в раствор; из песка при использовании постадийной экстракции десорбируется более 90%
свинца; из карбамидной смолы свинец не экстрагируется ни одним из рекомендуемых нормативными документами реагентов.
4. Разработана принципиальная схема защитных покрытий и экранов, предлагаемых к использованию при строительстве полигонов захоронения свинецсодержащих отходов.
Защищаемые положения
1. Теоретически и экспериментально обоснован состав грунтового композита, являющегося надежным средством создания геохимических барьеров, удерживающих свинец. Грунтовый композит
должен состоять из карбамидной смолы и кварцевого песка. Количество, поглощенного грунтовыми композитами свинца зависит от соотношения смола/песок, которое определяет режим
фильтрационного процесса, а также от размера песчаных зерен, скорости фильтрации раствора токсиканта и качества экрана.
2. Особенности взаимодействия компонентов грунтовых карбамидно-песчаных композитов со свинцом, заключается в следующем: песок слабо сорбирует свинец (до 2 мг/г), и более 90%
свинца экстрагируется из образцов; карбамидная смола активно сорбирует свинец (около 60 мг/г), при этом свинец практически не удаляется оттуда при воздействии реагентов, рекомендуемых
отечественными и зарубежными нормативными документами.
3. Эффективность геохимического барьера обусловлена высокой сорбционной емкостью карбамидно-песчаного композита и тем, что в процессе фильтрации кислых растворов свинца, последний
жестко встраивается в структуру карбамидной смолы, которая полимеризуясь, становится цементирующим веществом модифицированного грунта, при этом свинец не удаляется из структуры
полимера ни одним из рекомендуемых нормативными документами реагентов.
4 Оптимальное отношение объемов компонентов грунтового композита - смолы и среднезернистого песка, - установленное экспериментально, составляет 1:1,5. Это позволяет обосновать
оптимальную структуру многослойного защитного экрана по отношению к свинцу. В оптимальном соотношении карбамидно-песчаный композит сорбирует до 500 мг свинца на см3 композита.
Оптимальной структурой многослойного защитного экрана можно считать геохимический барьер (грунтовый композит в оптимальном отношении объемов) и малопроницаемый слой со скоростью
фильтрации не выше 10-6 см/с.
Практическая значимость. Результаты исследований следует рассматривать в качестве научной основы для применения новой многослойной структуры защитных экранов, используемых
при эксплуатации полигонов захоронения свинецсодержащих отходов. Новая структура заключается в использовании многослойной системы защиты, состоящей из малопроницаемого слоя
и геохимического барьера. В качестве геохимического барьера рекомендуется использовать грунтовый карбамидно-песчаного композит.
Разработан оптимальный состав (соотношение смола: песок 1:1,5, при скорости фильтрации 10-6 см/с, с использованием среднезернистого песка) грунтового композита, который может
служить дополнительным средством, повышающим эффективность и надежность защитного экрана в комплексе традиционно используемых методов при строительстве полигонов захоронения
свинецсодержащих отходов.
Карбамидная смола является эффективной при создании геохимических барьеров, на основе фильтрующих грунтовых композитов, обладающих высокой сорбционной емкостью и иммобилизующим
эффектом по отношению к свинцу для систем многослойной защиты. В процессе фильтрации кислых растворов свинца, последний жестко встраивается в структуру карбамидной смолы,
которая полимеризуясь, становится цементирующим веществом модифицированного грунта. При этом свинец не удаляется из структуры полимера ни одним из реагентов, рекомендуемых
нормативными документами.
Апробация работы. Основные результаты обсуждались на VIII Международном конгрессе Вода: экология и технология ЭКВАТЭК-2008 (Москва, 2008), Международной научной конференции
Ломоносов 2008 (Москва, 2008), IV, V и VIII Межвузовской молодежной научной конференции Школа экологической геологии и рационального недропользования (Санкт-Петербург,
2003, 2005, 2006, 2007 гг), Научно-практической конференции молодых специалистов Инженерные изыскания в строительстве (Москва, 2008), опубликованы в журналах, рекомендуемых
ВАК Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология (Москва, 2009, 3) и Вестник Московского университета. Серия 4. Геология (Москва, 2009, 6). Результаты
работы докладывались на заседании кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова 30 сентября 2009 г.
Структура работы, фактический материал и вклад автора. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и приложения. Объем диссертации составляет 165 страниц, сопровождается
32 таблицами и 44 рисунками и приложений на 26 страницах. Список использованной литературы включает 135 наименований.
Теоретическая и экспериментальная части данной работы выполнены лично автором на кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета Московского государственного
университета имени М.В. Ломоносова за период обучения в очной аспирантуре с октября 2006 г. по сентябрь 2009 г.
Основные положения работы и ее выводы обосновываются на результатах более 600 длительных лабораторных экспериментов, выполненных лично автором на 38 образцах модельных дисперсных
песчаных грунтов, и проведенных по ним расчетам.
Хочется выразить огромную благодарность, прежде всего моему научному руководителю к.г.-м.н. доценту Е.Н. Самарину, без чьей помощи написание данной работы было бы просто невозможно.
Выражаю глубокую благодарность д.г.-м.н. проф. Ю.К. Васильчуку, д.г.-м.н. проф. С.Д. Воронкевичу, д.г.-м.н. проф. Г.А. Голодковской, д.г.-м.н. проф. В.А. Королеву, д.г.-м.н.
проф. С.П. Позднякову, к.г.-м.н. с.н.с. М.Ф. Вигасиной, к.г.-м.н. доц. И.Ю. Григорьевой, к.г.-м.н. доц. С.К. Николаевой, к.х.н. доц. Б.Н. Тарасевичу, к.г.-м.н. с.н.с. В.М.
Ладыгину, к.г.-м.н. с.н.с. Н.А. Ларионовой, к.г.-м.н. с.н.с. Ю.В. Фроловой, к.г.-м.н. с.н.с. В.Г. Шлыкову, к.г.-м.н. в.н.с. Т.Г. Шимко, к.г.н. С.В. Голубеву, инженеру О.И.
Голубцовой и многим другим за поддержку, советы и помощь при работе над диссертацией.
|
Библиография:
В трудах конференций: 1. Родькина И. А. Исследование сорбции свинца на монтмориллоните // Материалы 4-ой межвузовской научной конференции Школа экологической геологии и рационального недропользования. С-П., 2003. С. 238 - 240 2. Родькина И. А. Исследование сорбции свинца на монтмориллоните при различных pH // Материалы 5-ой межвузовской научной конференции Школа экологической геологии и рационального недропользования. С-П.: 2004. С. 120 - 122 3. Родькина И.А. Самарин Е.Н. Изучение процессов сорбции свинца на минеральных поверхностях различной природы // Материалы 8-ой межвузовской научной конференции Школа экологической геологии и рационального недропользования. - С-П.: 2007. С. 245 - 246. 4. Родькина И.А. Самарин Е.Н. Предотвращение загрязнения гидросферы тяжелыми металлами с помощью создания сорбционных фильтрующих экранов // Доклады VIII Международного конгресса Вода: экология и технология ЭКВАТЭК-2008. М.: Сибико, 2008. С. 325 - 327. 5. Родькина И.А., Самарин Е.Н., Вигасина М.Ф. Исследование возможности создания искусственного сорбционного барьера на основе карбамидной смолы // Материалы международной научной конференции Ломоносов 2008. М., 2008. http://geo.web.ru/db/msg.html?mid=1181069&uri=rodkina.html 6. Родькина И.А., Самарин Е.Н. К вопросу предотвращения загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами с помощью создания сорбционных фильтрующих экранов // Материалы научно-практической конференции молодых специалистов Инженерные изыскания в строительстве - М.: ПНИИИС, 2009. С. 84 85. В журналах, рекомендованных ВАК: 7. Родькина И.А., Самарин Е.Н. К вопросу возможности использования карбамидных смол для создания искусственных грунтов с высокой сорбционной емкостью // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. 2009, 6. С. 390-393. 8. Родькина И.А., Самарин Е.Н., Ларионова Н.А. Влияние состава аутигенных пленок на сорбцию свинца в песках // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология, 2009, 3. С. 248 - 257.
|
|
