Сорбенты для очистки почвы от тяжелых металлов

сорбент-мелиорант для инактивации тяжелых металлов в почве

Изобретение относится к мелиорации почв и может быть использовано при рекультивации земель, загрязненных тяжелыми металлами, пестицидами и т.д. как сельскохозяйственных угодий, так и промышленных ландшафтов. Сорбент-мелиорант для инактивации тяжелых металлов в почве содержит минеральные компоненты. Новым является то, что в качестве минеральных компонентов он содержит глауконитовый песок, термонеизмененную отвальную породу угольных шахт и синие глины, при соотношении компонентов, мас.%, соответственно, 25,60 и 15. Технический результат изобретения состоит в очистке сильно загрязненных почв, в ее оструктуровании, улучшении водопроницаемости. 2 табл.

Формула изобретения

Сорбент-мелиорант для инактивации тяжелых металлов в почве, содержащий минеральные компоненты, отличающийся тем, что в качестве минеральных компонентов он содержит глауконитовый песок, термонеизмененную отвальную породу угольных шахт и синие глины при соотношении компонентов, мас.%: соответственно 25, 60 и 15.

Описание изобретения к патенту

Известен состав (1) для мелиорации и рекультивации земель, в котором для восстановления плодородия нарушенных почв используется мелиорирующий компост, содержащий терриконовую породу и навоз. Согласно изобретению мелиорирующий компост содержит, мас.%: терриконовую породу — 25-50 и навоз — 50-75.

Недостатком данного состава является некачественное обеспечение извлечения тяжелых металлов, а также недостаточная эффективность улучшения структуры почв.

Наиболее близким техническим решением является состав (2) для мелиорации почв «СОРБЕКСОМ» на органической основе с добавлением минеральных компонентов, при этом в качестве органической основы применяется сапропель, а в качестве минеральных компонентов цеолит и глинозем; при следующем соотношении компонентов, мас.%: сапропель 60-70, цеолит 23-27, глинозем 8-11.

Недостатком известного состава является то, что разработка и транспортировка основного компонента — сапропеля — процесс дорогостоящий и зачастую на практике приводит к деградации элементов ландшафта в местах его добычи. В результате происходит неэквивалентная трансформация и перенос типов и видов негативного и техногенного влияния при осуществлении мелиорации почв «СОРБЕКСом» с элементов агроландшафта на природный ландшафт.

Задачей изобретения является очистка почв урбо- и агроландшафтов путем снижения загрязнения тяжелыми металлами, пестицидами и улучшение водно-физических свойств почв.

Решение данной задачи достигается за счет использования экологически совместимого с почвой сорбент-мелиоранта, содержащего минеральные компоненты: глауконитовый песок, термонеизмененную породу угольных шахт и синие глины.

Преимущества данного сорбент-мелиоранта заключаются в простоте его приготовления и использования, в высокой катионной способности, коагуляции почвенных частиц и вытеснения обменного натрия; очистке загрязненных почв от тяжелых металлов; улучшение водно-физических свойств и повышение содержания микроэлементов в почве. Кроме того, предлагаемый сорбент-мелиорант обладает пролонгирующим действием за счет термонеизменной породы угольных шахт и глауконитового песка, которые способны увеличивать время своего благоприятного воздействия на почву в течение ряда лет.

Для изучения процесса очистки почв были проведены полевые исследования, а также опыты в вегетативных сосудах.

Состав для инактивации тяжелых металлов в почве в лабораторных условиях получали путем перемешивания высушенного глауконитового песка при температуре 70°С и термонеизмененной породы угольных шахт с величиной фракций 1-10 мм, предварительно обработанного суспензией из синих глин — в соотношении 1:1; 1:2, соответственно глины и воды, все составляющие смешивались в заданном соотношении.

Исследования по определению химического состава и оптимального состава сорбент-мелиоранта проводились в эколого-аналитической лаборатории ФГНУ «РосНИИПМ». Лаборатория аккредитована в системе Саал, аттестат аккредитации № POCC. RU 0001.512581 действует до 08.08.2010 г. В таблице 1 приведены результаты химического состава составляющих сорбент-мелиоранта.

Классы МПК:	C09K17/00 Материалы, улучшающие состояние почвы или стабилизирующие почву
Автор(ы):	Щедрин Вячеслав Николаевич (RU) , Васильев Сергей Михайлович (RU) , Степанова Татьяна Георгиевна (RU) , Субботина Мария Александровна (RU)
Патентообладатель(и):	Федеральное государственное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации» (RU)
Приоритеты:

Таблица 1
Химический состав сорбент-мелиоранта
Проба	Показатели
Кислоторастворимая форма, мг/кг	Подвижная форма, мг/кг	Водорастворимая форма, мг/кг
Pb	Cu	Zn	Cd	Ni	Pb	Cu	Zn	Cd	Ni	Pb	Cu	Zn	Cd	Ni
Глауконитовый песок	2,25	1,34	12,61	0,03	3,13	0,737	0,018	0,021	0,004	0,067	0,086	0,004	0,003	0,0005	0,060
Термоизмененная отвальная порода угольных шахт	59,52	21,80	20,05	0,06	8,58	2,644	0,019	0,005	0,018	2,206	0,027	0,016	0,010	0,013	0,834
Синяя глина	3,90	2,60	12,38	0,02	3,21	0,068	0,019	0,003	0,004	0,137	0,115	0,007	0,008	0,0003	0,023

В таблице 2 предложены результаты опытов по определению оптимального состава сорбент-мелиоранта.

В полевых условиях с помощью разбрасывателя удобрений мелиорант вносят в почву, затем плугами запахивают в мелиорируемый слой на 20 см.

Таблица 2
Определение оптимального состава сорбент-мелиоранта
№ п п	Состав сорбент-мелиоранта, мас.%	Емкость поглощения, мг-экв./100 г	Недостатки
1	2	3	4
1	глауконитовый песок — 25 термонеизмененная отвальная порода угольных шахт — 60 синие глины — 15	200,0	оптимальный состав
2	глауконитовый песок — 47 термонеизмененная отвальная порода уголных шахт — 36 синие глины — 17	160,0	не обеспечивает качественного извлечения тяжелых металлов
глауконитовый песок — 30 термонеизмененная отвальная порода угольных шахт — 55 синие глины — 15	180,0	невысокий уровень оструктуривания почв
4	глауконитовый песок — 40 термонеизмененная отвальная порода угольных шахт — 30 синие глины — 30	140,0	нарушает водно-физический режим почв
5	глауконитовый песок — 60 термонеизмененная отвальная порода угольных шахт — 10 синие глины — 30	120,0	не обеспечивает качественного процесса удобрения почв
6	глауконитовый песок — 15 термонеизмененная отвальная порода угольных шахт — 50 синие глины — 35	120,0	не обеспечивает качественного процесса удобрения почв

В ходе проведенных исследований было установлено, что за счет фракций термонеизмененной отвальной породы угольных шахт (1-10 мм) происходит вытеснение поглощенного натрия из почвы и происходит коагуляция почвенных частиц, а пленка из синей глины, покрывающая фракции термонеизмененной отвальной породы угольных шахт, позволяет извлекать из почвы подвижные формы тяжелых металлов и переводить их в неподвижные за счет мембранного эффекта, делая тяжелые металлы недоступными для растений. Глауконитовый песок и синие глины за счет минерального обмена между собой позволяют достигнуть наибольшего удобрительного эффекта, улучшая водопроницаемость почвы и осуществляя структурирование почвы. Таким образом, в результате использования сорбент-мелиоранта можно производить очистку сильно загрязненных почв, одновременно оструктурить ее, улучшить водопроницаемость и повысить содержание соединений азота, кальция и др.

Источник

Быстро и дешево восстановить почву после загрязнения тяжелыми металлами можно биоуглем из сельхозотходов

Российские почвоведы проверили эффективность различных сорбентов для восстановления почв, загрязненных тяжелыми металлами. Выяснилось, что дорогостоящий и сложный для производства гранулированный активированный уголь по эффективности практически не отличается от дешевого и доступного биоугля, который можно производить из сельскохозяйственных отходов

Статья об исследовании, выполненном при поддержке гранта Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликована в журнале Plants.

Тяжелые металлы — самые распространенные загрязнители почв, рассеивающиеся на километры вокруг металлургических заводов и тепловых станций, которые сжигают уголь. Поступая в почву, они образуют множество соединений, среди которых наибольшую опасность несут слабосвязанные («подвижные») соединения — обменные, комплексные и специфически сорбированные формы. Их трудно удалить из почвы, так как они не разлагаются естественным путем и не подвергаются микробной деградации.

В небольших количествах микроэлементы необходимы растениям, и их используют в качестве микроудобрений, но при высоких концентрациях они могут оказывать токсическое действие. Например, избыток тяжелых металлов замедляет всхожесть семян и рост растений, делает их более уязвимыми к болезням. Из почвы по пищевой цепочке загрязняющие вещества передаются другим живым организмам. В организме человека тяжелые металлы накапливаются и становятся причиной возникновения различных болезней.

Восстанавливают загрязненные почвы обычно с помощью сорбентов или специальных стабилизирующих добавок. Эти соединения за счет своей структуры «захватывают» тяжелые металлы и не дают им воздействовать на растения. Однако при выборе сорбента необходимо учитывать не только то, насколько эффективно он способен связывать вредные вещества «в пробирке», но и то, как он ведет себя в почве.

Ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) совместно с коллегой из Тульского государственного педагогического университета имени Л. Н. Толстого (Тула) исследовали подвижность в почве меди и цинка — одних из самых распространенных загрязнителей на юге России. Почвоведы провели эксперимент, вырастив яровой ячмень на загрязненных черноземных почвах. Содержание тяжелых металлов превышало в пять и десять раз ориентировочно допустимые концентрации химических веществ: эти концентрации имитировали уровни загрязнения вблизи химических предприятий. Ученые внесли в сосуды с почвой соли меди и цинка и через определенное время проанализировали, какие соединения образуют эти металлы. Затем авторы исследовали эффективность двух видов сорбентов — гранулированного активированного угля и биоугля, добавляя их по 1%, 2,5% или 5% от массы почвы. После того, как посаженный в сосуды ячмень вырос и созрел, ученые измерили содержание различных соединений меди и цинка в тканях растений и в почвах.

«Мы установили, что после попадания в почву металлов содержание мобильных их соединений — опасных с экологической точки зрения — увеличивается в почве до 57%. Медь в почве образует комплексные формы с органическим веществом, что увеличивает ее биодоступность для растений. Цинк активно усваивается растениями из почвы за счет обменных и специфически сорбируемых соединений. Добавление в почву гранулированного активированного угля и биоугля способствовало снижению содержания в ней слабосвязанных соединений металлов, особенно в наиболее подвижных формах — обменных и комплексных», — рассказала Марина Бурачевская, одна из авторов статьи, руководитель проекта по гранту РНФ, ведущий научный сотрудник Южного федерального университета.

Гранулированный активированный уголь, в отличие от других углеродных сорбентов, после температурной обработки сырья проходит стадию активации, которая позволяет получить рекордно большую площадь пор, а значит, и высокую эффективность. Однако из этого же следует высокая стоимость и сложность производства этого сорбента, в отличие от биоугля, который можно производить из сельскохозяйственных отходов с помощью термического разложения. Оказалось, что на эффективность использования сорбентов больше влияла их доза, чем тип.

«Благодаря своей высокопористой структуре, сорбенты помогают стабилизировать и инактивировать тяжелые металлы в почве. С их помощью можно предотвратить распространение загрязнения, увеличить плодородие земли и улучшить рост растений. Мы показали, что дорогостоящий и сложный для производства гранулированный активированный уголь по эффективности практически не отличается от дешевого и доступного биоугля», — заключила Марина Бурачевская.

(Источник: пресс-служба Российского научного фонда).

Заглавное фото: Микроструктура поверхности биоугля (a) и гранулированного активированного угля (b), фотографии сделаны с помощью сканирующего электронного микроскопа. Источник: Burachevskaya et al. / Plants, 2021

Источник