Для этого готовились модельные образцы следующим образом. Образцы монтмориллонита были приготовлены из так называемых <киловых> глин (Бахчисарайский район, Вторая гряда Крымских гор). Из природной <киловой> глины методом отмучивания была выделена фракция размером меньше 5 мкм. Содержание монтмориллонита в монодисперсном образце составляло не менее 98 %. Содержание растворимых компонентов: Fe₂O₃ - 0,27%, Al₂O₃ - 2,96%, SiO₂ - 0,62% (по К.К. Гедройцу). Образцы песка с аутигенными пленками были приготовлнены на основе монодисперсного - 0,1-0,25 мм - песка (J₃v₃), отобранного из Люберецкого карьера, очищенного от природных поверхностных пленок 3-х кратным кипячением в 5% растворе соляной кислоты в течении 30 мин. Поверхностные пленки наносились на песок в количествах равных природным (железистая около 3%, алюминиевая - 2%, карбонатная - 1,7%, органическая - 0,18%, силикатная - 1,66%).

Затем были приготовлены рабочие растворы последовательным разведением стандартного раствора Pb(NO₃)₂ 0,0992 н концентрации (титр устанавливался комплексонометрически) в 10n раз - n = 1, 2, 3, 4, 5. Далее 50 мл рабочего раствора (pH раствора 1,2) смешивалось с 50 мл ацетатного буфера (с фиксированным значением pH 3,0, 4,0 и 5,0, с концентрацией 0,6 н., буферной емкостью π = 4,275*10^-2 мг-экв/50 мл) в колбе на 100 мл, в которую впоследствии помещалась навеска образца весом приблизительно в 1 г. Растворы с помещенной в них навеской оставлялись для взаимодействия, и периодически в них измерялась концентрация Pb²⁺; за конечное время сорбции свинца с образцом принималась условная "точка насыщения", т.е. прекращение изменения концентрации ионов свинца в растворе с течением времени. После окончания эксперимента образец отделялся фильтрованием через фильтр "синяя лента", отмывался методом диализа от избытка нитрата свинца, и впоследствии был использован для выделения фракций Pb2+ различной подвижности. В контактирующих растворах определялось содержание Pb²⁺ - в зависимости от концентрации фотометрически или титрометрически, - рН, и, в зависимости от состава поверхностной пленки, содержание Ca²⁺, С_орг, Fe_общ, Al³⁺ или Si, по общепринятым методикам. В контактирующих растворах при взаимодействии с монтмориллонитом определялось содержание Pb²⁺, рН и содержание Са²⁺. Количество адсорбированного свинца определялось по разности между исходной и равновесной концентрациям контактирующего раствора. Результаты экспериментов представлены в виде изотерм адсорбции ионов свинца при различных рН. Каждый опыт проводился с трехкратной повторностью. Для образцов песка с аутигенными пленками экспериментально были получены величины поверхностного заряда и точки нулевого заряда.

В экспериментах по сорбции свинца монтмориллонитом дополнительно использованы более концентрированные растворы Pb(NO₃)₂ (с концентрацией 0,1999н, 0,3912н, 0,4807н).

Исследование сорбционной способности карбамидной смолы выполнено по следующей методике. В аликвоту объемом 10 мл неразбавленной карбамидной смолы марки М-3 по каплям добавлялся 0,1н раствор нитрата свинца (время экспозиции 3 мин.) до полного отверждения смолы, которое устанавливалось по прекращению опалесцирования надосадочного раствора. В процессе опыта контролировалось изменение pH и концентрация Pb²⁺ в растворе. Дополнительно было проведено обратное титрование: к аликвоте объемом 45 мл 0,1н раствора нитрата свинца с pH=2 по каплям добавлялась карбамидная смола. В контактирующем растворе, так же как в первом опыте, контролировалось значение pH и концентрация свинца. После окончания эксперимента были сняты ИК-спектры карбамидной смолы, отвержденной HCl, и смолы, поликонденсированной нитратом свинца, при помощи ИК-фурье спектрометра ФСМ-1201 (Россия) в диапазоне волновых чисел 400-4000 см^-1 на воздухе при комнатной температуре в суспензии вазелинового масла, которая наносилась на пластинку KBr.

Затем, для выявления особенностей взаимодействия свинца с составляющими системы многослойной защиты была изучена экстракция свинца из анализируемых веществ. Для монтмориллонита и песка - по методике Тессье; для карбамидной смолы - по методикам Тессье, Евросоюза <Стандарты, меры и испытания> (BCR) и Крупской и Александровой (ГОСТ Р 50686-94). Количество экстрагированного свинца в контактирующих растворах определялось спектроскопически и титриметрически. Каждый эксперимент был поставлен с троекратным повторением.

Для изучения возможности создания геохимических барьеров были созданы грунтовые композиты на основе фракций песка различной дисперсности: грубозернистый песок (фракция 1-2мм - 100%), крупнозернистый песок (фракция 0,5-1мм - 100%) и среднезернистый песок (фракция 0,25-0,5 мм - 100%) с которых удалялись природные пленки троекратным кипячением в 5% соляной кислоте в течение 30 минут. После кипячения песок отмывался дистиллированной водой до отсутствия качественной реакции на хлор и высушивался при комнатной температуре (при p/ps - 0,5-0,6). После удаления поверхностных минеральных пленок песок был использован для приготовления модельных образцов. Для этого песок в объемной пропорции 1:1, 1,5:1, 2:1, а для экспериментов на крупнозернистом песке еще и в соотношении 3:1, смешивался с карбамидной смолой. Затем полученный грунтовый композит без предварительного уплотнения помещался в фильтрационную установку (см. рис. 2), через которую фильтровался раствор нитрата свинца с концентрацией 0,0992 н с pH=2,0 (по литературным данным именно таких концентраций может достигать свинец в отдельных локальных участках полигона захоронения отходов).

Рис. 2. Фильтрационная установка

Высота образца в фильтрационной колонне составляла 16 см, при диаметре 8 см. Эксперименты проводились при 3-х скоростях фильтрации: 10^-6 см/с, 10^-5 см/с, 10^-4 см/с и градиенте напора I=10. Скорость фильтрации задавалась при помощи фильтров <синяя лента>, которые размещались в нижней части обоймы. Это было сделано для того, чтобы правильно определить количество свинца сорбированного геохимическим барьером без участия глинистого слоя. Для предотвращения выделения формальдегида при полимеризации смолы, фильтры перед укладкой однократно обрабатывались 1н раствором хлорида аммония.

После окончания эксперимента, грунтовые композиты были подвержены постадийной экстракции по указанным ранее методикам.

Чтобы оценить сорбционную емкость многослойного защитного экрана, был проведен ряд экспериментов с использованием в качестве малопроницаемого слоя монтмориллонита. Скорость фильтрации в этих экспериментах составила приблизительно 8*10^-4 см/с.

Для единократного анализа фильтрата отбиралась аликвота, равная объему смолы в данном образце (здесь и далее <поровый объем>), в которой контролировалось pH, концентрация Pb²⁺ и H₂CO. Концентрация Pb²⁺ в растворе определялась атомно-адсорбционным методом (прибор <КВАНТ-Z.ЭТА>, НПО <КОРТЭК>, г. Москва) и на инверсионном вольтамперметре (прибор <АВС-1.1>, НПО <Вольта>, г. Санкт-Петербург). Концентрация свинца в образцах определялась на приборе СПЕКТРОСКАН МАКС - GV (ООО НПО <Спектрон>, г Санкт-Петербург). Формальдегид в растворе определялся йодометрическим методом. Количество свинца оставшегося на фильтрах определялось по методике Крупской и Александровой (ГОСТ Р 50686-94).