Способ детоксикации почвы с применением природных сорбентов
Владельцы патента RU 2713346:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Калмыцкий государственный университет имени Б.Б. Городовикова» (RU)
Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к очистке грунта, загрязненного различными органическими и неорганическими загрязнителями (тяжелые металлы, нефтепродукты), и может быть использовано для детоксикации различных типов грунтов (техногенно загрязненного грунта, осадка очистных сооружений (ООС) и т.д.), содержащих различные типы загрязнителей с различной концентрацией. Задачей предлагаемого изобретения является разработка технологии детоксикации почв от нефти и тяжелых металлов с использованием многокомпонентного сорбента, содержащего шерсть и глиногипс. Способ очистки почвы с применением отходов овечьей шерсти и глиногипса, предварительно высушенных при комнатной температуре и измельченных для развития пористой структуры сорбента и обработанных серной кислотой с концентрацией 3%, обеспечивающего эффективную очистку почвы от нефти и нефтепродуктов, но отличающийся тем, что обладает высокой степенью очистки почвы от тяжелых металлов при смешении почвы с сорбентами до заданной остаточной концентрации загрязняющих веществ, перед внесением сорбента в почву определяют уровень загрязнения и далее производят замеры концентраций загрязняющих веществ при смешении почвы и сорбента в соотношениях: 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3, после чего определяют массу сорбента, необходимого для очистки почвы до заданной концентрации.
Область техники
Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к очистке грунта, загрязненного различными органическими и неорганическими загрязнителями (тяжелые металлы, нефтепродукты), и может быть использовано для детоксикации различных типов грунтов (техногенно загрязненного грунта, осадка очистных сооружений (ООС) и т.д.), содержащих различные типы загрязнителей с различной концентрацией.
Уровень техники
Известен сорбент, содержащий нестерильный верховой сфагновый мох или верховой слаборазложившийся сфагновый торф и экстракт лечебной грязи, полученный экстрагированием мелкодисперсной торфяной грязи. Недостатком данного сорбента является то, что он способен очищать почву только от нефтепродуктов и не сорбирует тяжелые металлы (RU, патент № 2318592, B01J20/24).
Известен способ очистки почвы от нефти термическим методом, при котором обезвреживание проводят в специальном аппарате в две стадии: на первой происходит испарение и десорбция токсичных веществ из почвы (при температуре 300-400°С), на второй стадии происходит сжигание выделяющихся газов (при температуре 1000…1100°С). Данный способ обладает такими недостатками, как концентрации в почве токсичных веществ не достигается ниже уровня ПДК; большой расход энергии (Экологические аспекты воздействия компонентов жидких ракетных топлив на окружающую среду. СПб. - 1996. - Прикладная химия, с.26-27).
Наиболее близким предлагаемому изобретению является сорбент, содержащий обуглероженную льняную костру при следующем соотношении компонентов, вес. %: сапропель 50-80, обуглероженная льняная костра - 20-50. Недостатком данного сорбента является то, что внесение сырого сапропеля в почву сопряжено с рядом технических трудностей, поэтому сырой сапропель необходимо гранулировать и высушивать, при этом его сорбционная активность резко снижается (RU, патент № 2198987).
Задачей предлагаемого изобретения является разработка технологии детоксикации почв от нефти и тяжелых металлов с использованием многокомпонентного сорбента, содержащего шерсть и глиногипс.
Техническим результатом предлагаемого способа является разработка сорбента, обладающего высокой эффективностью очистки почвы и грунтов от нефтепродуктов (НП) и тяжелых металлов (ТМ); сокращение количества технологических операций изготовления материала при сохранении высокой очистки от нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов; использование отходов производства и природных материалов, которые приведут к снижению стоимости данного материала.
Указанный технический результат достигается за счет способа очистки почвы с применением природных сорбентов, включающего природные материалы. В качестве природных сорбентов используются глиногипс и шерсть, которые предварительно промывают дистиллированной водой, высушивают (при комнатной температуре) и измельчают. В зависимости от степени загрязнения почвы нефтью и тяжелыми металлами предлагается использовать два варианта изготовления двухкомпонентного сорбента: при аварийных разливах нефти используется сорбент, состоящий из 2-х слоев шерсти и одного слоя глиногипса, выкладываемых в виде матов для сбора нефти и сорбции ионов тяжелых металлов, а при высокой концентрации в почве тяжелых металлов предлагается использовать сорбент в виде гранул. После сбора аварийных разливов нефти сорбент предлагается использовать в качестве теплоизоляционного материала при обкладке труб и в качестве топливных брикетов, а глиногипс использовать в дорожном строительстве.
Способ осуществляется следующим образом.
Способ получения многослойного сорбента заключается в том, что сорбционные материалы предварительно высушивают (при комнатной температуре) и измельчают для развития пористой структуры сорбента, обеспечивающего эффективную очистку воды от нефти и нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов. Для увеличения сорбционной емкости по отношению к нефти и тяжелым металлам природные материалы обрабатывают 3-% раствором серной кислоты и высушивают.
Для изготовления сорбционно-фильтрующего материала используют отходы овечьей шерсти производства Республики Калмыкия, собранные в весенний сезон и глиногипс Ленинского месторождения, расположенного в Целинном районе Республики Калмыкия, в 20 км к северо-востоку от города Элиста. Глиногипс представляет собой рыхлую породу, состоящую на 65-80 % из двуводного сернокислого кальция.
Химический состав глиногипса Ленинского месторождения Республики Калмыкия, %: SiO2 (3,35-5,18), Al2O3+TiO2 (0,15-2,49), Fe2O3+FeO (0,10-0,50), CaO (26,94-33,87), MgO (0,13-0,80), SO3 (33,82-42,05). Удельный вес глиногипса составляет 2,71 г/см3, объемный вес - 1,68 кг/см3.
Техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является повышение точности определения массы сорбента, необходимого и достаточного для достижения требуемых норм концентрации загрязняющего вещества в грунте при снижении расхода сорбента.
Для достижения технического результата перед внесением сорбента определяют уровень загрязнения почвы нефтепродуктами и тяжелыми металлами проводят замеры концентрации токсикантов при смешении почвы и сорбентов в соотношениях: 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3, после чего определяют массу сорбента необходимого для смешения с почвой для достижения заданной остаточной концентрации.
Для детоксикации почвы, ее предварительно увлажняют и распределяют на поверхности почвы рассчитанную массу сорбентов.
Проведение предварительных инструментальных замеров контрольных проб для определения превалирующего типа загрязняющего вещества и его первоначальной концентрации, измеряемой, как правило, в мг/кг, необходимо для однозначного установления (задания) необходимой остаточной концентрации этого вещества в грунте после очистки и общего количества сорбента, необходимого для очистки грунта. При этом заданная концентрация может представлять собой как нормативно определенную величину, например, предельно допустимую концентрацию (ПДК), так и величину, определяемую инициатором очистки, например заказчиком проведения подобных работ, и, возможно, отличную от ПДК как в большую, так и в меньшую сторону, что может быть связано с определенным последующим использованием очищенного грунта, например, как площадки для хранения (свалки) загрязняющих веществ (где необходимо поддерживать один уровень концентрации загрязняющих веществ), или как посевной площади (где уровень загрязняющих веществ должен быть предельно минимальным).
Данные по эффективности очистки почвы от нефтепродуктов и тяжелых металлов для сорбентов в зависимости от соотношения отходов овечьей шерсти (ООШ), глиногипса (ГГ) и почвы представлены в таблице 1.
Таблица 1
Влияние соотношения массы сорбентов на степень извлечения тяжелых металлов и нефтепродуктов
| Соотношение почвы: сорбента | Сорбент | Степень извлечения ИТМ и НП, S% | ||
| Pb | Cu | НП | ||
| 3:1 | глиногипс | 51,5 | 40,6 | 39,5 |
| шерсть | 41,9 | 41,6 | 60,5 |
| 2:1 | глиногипс | 68,2 | 56,7 | 46,9 |
| шерсть | 52,8 | 58,9 | 71,6 | |
| 1:1 | глиногипс | 88,6 | 64,9 | 52,4 |
| шерсть | 65,8 | 68,2 | 82,6 | |
| 1:2 | глиногипс | 93,0 | 78,5 | 60,5 |
| шерсть | 72,6 | 81,6 | 91,8 | |
| 1:3 | глиногипс | 98,1 | 84,6 | 74,5 |
| шерсть | 84,6 | 89,5 | 95,6 |
Результаты влияние массы сорбента показали, что при увеличении массы сорбента степень извлечения загрязняющих веществ увеличивается, причем шерсть лучше сорбирует нефть, тогда как глиногипс тяжелые металлы.
При исследовании эффективности очистки почв от нефтепродуктов в качестве нефтепродукта использовали нефть Состинского месторождения Республики Калмыкия (ρ=0,821 г/см3). Остаточную концентрацию нефти определяли на ИК-Фурье спектрометре «Инфралюм ФТ-08» по аттестованной методике ПНД Ф 16.1:2.21-98 (изд. 2005 г.) «Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в минеральных, органогенных и органо-минеральных почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии».
Для анализа очистки от тяжелых металлов использовали модельный раствор, содержащий в смеси ионы меди и свинца с концентрациями по 10-3 моль/дм3. Остаточную концентрацию определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии по аттестованной методике ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3.63-09 (М 03-07-2014)
Методика измерений массовой доли ванадий, кадмий, кобальт, марганец, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, хром, цинк в пробах почв, грунтов, донных отложений, осадков сточных вод атомно-абсорбционным методом с электротермической атомизацией с использованием атомно-абсорбционных спектрометров модификаций МГА-915, МГА-915М, МГА-915МД.
Перед внесением сорбентов в почву проводятся контрольные замеры по определению типа загрязняющих веществ и их концентраций. Для определения границ участка загрязненного грунта и глубины залегания загрязняющих веществ, концентрации которых превышают заданный уровень, проводится бурение скважин и отбор проб по МПР РФ Методические рекомендации ″Отбор проб почв, грунтов, осадков биологических очистных сооружений, шламов промышленных сточных вод, донных отложений искусственно созданных водоемов, прудов-накопителей и гидротехнических сооружений″ ПНДФ 12.1:2:2.2:2.3.2-03. Методические рекомендации допущены для целей государственного экологического контроля. Москва, 2003 г.
Прозондированный таким образом участок загрязненного грунта может быть разделен на зоны по типу загрязнения и их концентрации. Для каждой зоны определяется объем грунта подлежащего очистки (путем умножения глубины залегания загрязняющих веществ на площадь заражения). Посредством взвешивания контрольного объема загрязненного грунта определяют плотность грунта и затем рассчитывают массу загрязненного грунта mгр, используя определенные выше величины.
По разработанному алгоритму рассчитывают необходимую массу сорбента для снижения загрязнения до заданной нормы, для чего производят замеры концентраций загрязняющего вещества при смешении проб загрязненного грунта с сорбентом в следующих пропорциях грунт: сорбент - 3:1, 2:1, 1:1; 1:2; 1:3.
Такие вычисления проделывают для каждой зоны загрязненного участка. Если в зоне загрязненного участка находятся несколько типов загрязнителей, то такие вычисления делаются для каждого типа по указанной формуле. Из полученных масс сорбента для каждого из одновременно загрязняющих веществ выбирается самая большая масса сорбента, которую и используют для очистки загрязненного грунта. Затем проводят увлажнение каждой зоны участка загрязненного грунта, например, до достижения им влажности не менее 80%, распределяют рассчитанную массу сорбента по поверхности загрязненного грунта с одновременным перемешиванием сорбента с загрязненным грунтом. Целесообразно производить перемешивание по всей известной глубине загрязнения грунта.
После проведения работ по детоксикации почвы через 24 часа проводят контрольные замеры. Пробы отбираются со всей обработанной площади и глубины. Если контрольные пробы показывают уровень заданной концентрации либо ниже заданной концентрации, то объект считается детоксицированным.
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать заключение о возможности применения сорбента в практике для очистки почвы.
Использование заявляемого способа получения природного сорбента на основе шерсти и глиногипса области для очистки сточных вод позволяет:
1) повысить качество очищаемой воды;
2) сократить количество технологических операций изготовления материала при сохранении высокой очистки от нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов;
3) использовать отходы производства и природные материалы, которые приведут к снижению стоимости данного материала.
Способ очистки почвы с применением отходов овечьей шерсти и глиногипса, предварительно высушенных при комнатной температуре и измельченных для развития пористой структуры сорбента и обработанных серной кислотой с концентрацией 3%, обеспечивающего эффективную очистку почвы от нефти и нефтепродуктов, отличающийся тем, что обладает высокой степенью очистки почвы от тяжелых металлов при смешении почвы с сорбентами до заданной остаточной концентрации загрязняющих веществ, перед внесением сорбента в почву определяют уровень загрязнения и далее производят замеры концентраций загрязняющих веществ при смешении почвы и сорбента в соотношениях: 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3, после чего определяют массу сорбента, необходимого для очистки почвы до заданной концентрации.
