Влияние модифицирующих добавок на увеличение сорбционной ёмкости глинистых грунтов

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. В настоящее время высокий уровень развития промышленности и необычайно высокие темпы урбанизации приводят к необходимости складирования и захоронения огромного количества отходов жизнедеятельности населения. Кроме того, чрезвычайно остро стоит проблема сброса в окружающую среду - и, прежде всего, в верхние слои литосферы, включая подземную гидросферу, - производственных растворов, используемых в технологических циклах. Это приводит к необходимости строительства различного рода очистных сооружений и полигонов захоронения отходов.

Основной задачей таких сооружений является максимально возможная локализация вредных и токсичных соединений. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является создание сорбционных фильтрующих экранов на основе природных глинистых грунтов, модифицированных химическими реагентами.

Целью работы является исследование влияния модифицирующих добавок на повышение сорбционной ёмкости глинистых грунтов по отношению к растворам солей тяжёлых металлов.

Для достижения поставленной цели в рамках настоящего исследования решались следующие задачи:

1. Анализ литературных источников по проблеме искусственного изменения сорбционной ёмкости глинистых грунтов по отношению к растворам тяжёлых металлов. Конкретизировать объекты исследования и обосновать методику проведения экспериментов.

2. Изучить кислотно-основновную буферность природных грунтов различного состава и генезиса, как показателя поглотительно-сорбционной способности по отношению к растворам солей тяжёлых металлов.

3. Разработать методику изучения эффективности сорбции тяжёлых металлов на глинистых грунтах в режиме непрерывной фильтрации, для чего создать специальную экспериментальную установку.

4. Оценить влияние щелочных неорганических добавок на изменение кислотно-основной буферности и сорбционной ёмкости глинистых грунтов.

5. Рассмотреть возможность создания искусственных геохимических барьеров в местах складирования отходов, содержащих тяжёлые металлы, на основе модифицированных глинистых грунтов.

Научная новизна

1. Разработана методика, позволяющая в условиях постоянной фильтрации оценить динамику сорбции, кислотно-основную буферность грунтов, изменение их растворопроницаемости в условиях реального времени.

2. Созданы сорбционные экраны, полученные путём добавки к природным грунтам модифицирующих неорганических вяжущих: СаО, (СаО + СаСО₃), Na₂Si_nO_2n+1. Подобран оптимальный состав модифицирующих добавок, позволяющих увеличить сорбционную ёмкость грунтов в 1,5 - 2,0 раза.

3. Изучена природа взаимодействия модифицированных глинистых грунтов с растворами солей тяжёлых металлов (на примере азотнокислого кадмия).

Защищаемые положения

1. Комплексная методика проведения лабораторных фильтрационных испытаний для исследования эффективности сорбционных свойств (поглотительной способности) грунтов при фильтрации агрессивных кислых растворов. При оценке поглотительно-сорбционной способности глинистых грунтов в режиме непрерывной фильтрации определяемыми динамическими параметрами являются проницаемость и химические свойства (кислотно-основная буферность, сорбционная ёмкость), а также плотность, влажность и прочность образцов до и после фильтрации. Схема фильтрации, а именно, сверху вниз без предварительного замачивания, позволяет наиболее корректно моделировать работу защитных экранов в естественных условиях.

2. Показано, что сорбционная ёмкость дисперсных глинистых грунтов контролируется их кислотно-основной буферностью и обусловлена осаждением различных соединений тяжёлых металлов (на примере азотнокислого кадмия) в щелочных условиях. После исчерпания кислотной буферности в условии постоянного снижения рН фильтрата происходит их обратное растворение и грунт начинает работать как дополнительный загрязнитель.

3. Установлено, что при добавке извести не происходит значительного увеличения сорбционных свойств и кислотной буферности модифицированного грунта, так как известь интенсивно выщелачивается из грунта потоком фильтруемого раствора, что приводит к вымыванию введённого в грунт кальция и вместе с ним сорбированного кадмия.

4. Выявлено увеличение в 1,5 - 2,0 раза сорбционных свойств модифицированных дисперсных глинистых грунтов при совместной добавке жидкого стекла и извести. В результате взаимодействия извести с раствором полисиликата натрия образуются мета- и ортосиликаты кальция, что приводит к увеличению кислотной буферности и сорбционной ёмкости глинистых грунтов. При фильтрации через модифицированные грунты кислых растворов кадмия происходит иммобилизация последнего в виде труднорастворимых гидроксида и силикатов кадмия.

Практическая значимость. Разработанные модифицирующие добавки для глинистых грунтов могут служить дополнительным средством, повышающим эффективность и надёжность защитного экрана в комплексе традиционно используемых методов. Предложенная комплексная методика лабораторных испытаний по изучению эффективности сорбции тяжёлых металлов на глинистых грунтах в режиме непрерывной фильтрации позволяет наиболее корректно моделировать параметры работы защитного экрана в реальных условиях. Рассчитанные значения показателей произведений растворимости наиболее вероятных соединений тяжёлых металлов можно использовать для прогнозной оценки способности природных и модифицированных грунтов сорбировать тяжёлые металлы.

Апробация работы. Основные результаты обсуждались на VII Международном конгрессе и технологической выставке <Вода: экология и технология> ЭКВАТЭК-2006 (Москва, 2006), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных <Ломоносов - 2006> (Москва, 2006), VII Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов <Геологи XXI века> (Саратов, 2006), VII Межвузовской молодёжной научной конференции <Школа экологической геологии и рационального недропользования> (Санкт-Петербург, 2006), X Международной экологической конференции студентов и молодых учёных <Экологическая безопасность как ключевой фактор устойчивого развития> (Москва, 2006), Научно-практической конференции молодых специалистов <Инженерные изыскания в строительстве> (Москва, 2006), в докладе на заседании секции инженерной геологии Московского общества испытателей природы (Москва, 2006), опубликованы в журнале <Вестник Московского университета. Серия Геология> (Москва, 2006, N 5) и в журнале <Инженерная геология> (Москва, 2007, N 3).

Структура работы, фактический материал и вклад автора. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов. Текст работы сопровождается 20 таблицами и 41 рисунком; объём диссертации составляет 203 страницы. Список использованной литературы включает 221 наименование.

Теоретическая и экспериментальная части исследований 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 ноября 2003 г. по октябрь 2006 г. Основные положения работы и её выводы обосновываются на результатах более сотни длительных лабораторных испытаний, выполненных на образцах 24 разностей природных и модельных дисперсных глинистых грунтов, и проведённых по ним расчётам.

Особую благодарность приношу своему научному руководителю к.г.-м.н. доценту Самарину Е.Н., предложившему сложную и интересную тему. Выражаю глубокую благодарность д.г.-м.н., проф. В.Т. Трофимову, д.г.-м.н., проф. С.Д. Воронкевичу, д.г.-м.н., проф. В.Н. Соколову, д.г.-м.н., проф. А.В. Лёхову, д.г.-м.н., проф. В.А. Королёву, к.г.-м.н., доц. С.К. Николаевой, к.х.н., доц. Н.А. Тимашёвой, к.х.н., доц. Н.И. Щедровой, к.т.н. А.Д. Бражнику, к.г.-м.н., с.н.с. Н.А. Ларионовой, к.г.-м.н., с.н.с. Т.Г. Макеевой, к.г.-м.н., с.н.с. В.В. Фуниковой, к.г.-м.н., с.н.с. В.Г. Шлыкову, к.х.н., с.н.с. Т.В. Шестаковой, А.А. Филатовой, Н.А. Никитиной, А.С. Фроловой, В.В. Кучерову и многим другим за поддержку, советы и помощь при работе над диссертацией.