Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

МОНТМОРИЛЛОНИТОВЫЕ ГЛИНЫ ДЛЯ СОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ПОЧВЫ ОТ ПОДВИЖНЫХ ФОРМ СВИНЦА

Везенцев А.И. 1 Голдовская-Перистая Л.Ф. 1 Добродомова-Копылова Е.В. 1 Перистый В.А. 1 Кормош Е.В. 2 Здоренко Н.М. 2
1 Белгородский государственный национальный исследовательский университет
2 АНО ВО «Белгородский университет кооперации
Исследована сорбционная способность монтмориллонитсодержащих глин Сергиевского месторождения Губкинского района Белгородской области для очистки почвы от свинца. Установлено, что среднее значение валового содержания свинца в почвах Старооскольско-Губкинского промышленного района, входящего в состав Курской магнитной аномалии (КМА), составляет 15 мг/кг, что выше фонового значения, но не превышает ПДК. Содержание подвижных форм свинца в исследуемых почвах выше предельно допустимых значений. Водорастворимые формы свинца не обнаружены. Свинец в почвах и глинах имеет как природное происхождение (радиогенное, вкрапления в магнитной железной руде и карбонатных породах), так и техногенное. Эффективность сорбционной очистки почвы от подвижных, доступных растениям форм свинца составляет 83–94 мас. %. Предложен механизм очистки почвы от подвижных форм свинца, носящий характер катионного обмена и адсорбции на внешней поверхности слоистых кристаллов.
глина
монтмориллонит
почва
буферная вытяжка
сорбционная очистка
свинец
валовое содержание
подвижные формы
1. EEA (European Environment Agency) Progress in management of contaminated sites/ CSI 015, DK-1050. 2007. Copenhagen K, Denmark.
2. Деградация и охрана почв / Под общей ред. Г.В. Добровольского. – М.: Изд-во МГУ, 2002. – 654 с.
3. Орлов Д.С. Химическое загрязнение почв и их охрана / Д.С. Орлов, М.С. Малинина, Г.В. Мотузова. – М.: Агропромиздат, 1994. – 120 с.
4. Жакина А.Х., Аккулова З.Г., Амирханова А.К., Утегенова А.С. Способ очистки загрязненных почв от тяжелых металлов // Патент Казахстана № 2233293 C1. 27.07.2004 16.07.2012, бюл. № 7.
5. Савич В.И. Новые методы очистки почв от тяжёлых металлов / В.И. Савич, С.Л. Белопухов, А.В. Филиппова // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. Серия Биологические науки. – 2013. – № 4 (42). – С. 216–218.
6. Алексеева-Попова Н.В. Фиторемедиация – перспективный метод лчистки почв, загрязненных тяжелыми металлами (обзор) // Сб. материалов IV Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 27–31 мая 2013 года). – С. 42–46.
7. Невидомская Д.Г., Подковирина Ю.С., Минкина Т.М., Солдатов А.В., Мотузова Г.В. Исследования электронно-структурных особенностей Pb (II) и Zn (II) в почвенных фазах методом синхротропного рентгеновского излучения // Сб. материалов IV Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 27–31 мая 2013 года). – С. 367–371.
8. Везенцев А.И. Сорбция ионов тяжелых металлов нативными, обогащенными и модифицированными формами монтмориллонитовых глин / А.И. Везенцев, Л.Ф. Голдовская, Е.В. Кормош (Баранникова), Н.А. Сиднина, Е.В. Добродомова // Сорбционные и хроматографические процессы. – 2006. – Т. 6, ч. 4. – С. 1327–1330.
9. Кормош Е.В. Адсорбционные свойства продуктов обогащения природных монтмориллонитсодержащих глин / Е.В. Кормош, А.И. Везенцев, Н.М. Здоренко, Л.Ф. Голдовская // Научные ведомости БелГУ. – 2011. – Выпуск 15, № 9 (104). – С. 103–108.
10. Vezentsev A.I. Material composition and colloid-chemical properties of natural and modified montmorillonit clays / A.I. Vezentsev, L.F. Peristaya, A.V. Shamshurov, R.A. Cherkasov, E.V. Kormosh // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. – 2014. – Vol. 9, № 11. – P. 2358–2366.
11. Лисецкий Ф.Н., Голеусов П.В., Чепелев О.А., Близнюк М.В., Кучарук Н.С., Свиродова А.В. База данных эколого-геохимического обследования территории Курской магнитной аномалии (в границах Губкинского и Старооскольского районов Белгородской области). Свидетельство об официальной регистрации базы данных № 2006620102. Зарегистрировано в реестре баз данных 07.04.2006.
12. Везенцев А.И. Химико-экологическая оценка почв и глины Старооскольско-Губкинского промышленного района по содержанию свинца / А.И. Везенцев, Л.Ф. Голдовская, Ф.Н. Лисецкий, Н.А. Сиднина // Проблемы региональной экологии. – 2007. – № 1. – С. 23–29.
13. Методические указания по определению металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. – М.: ЦИНАО, 1992. – 61 с.
14. Котенко Е.А. Геоэкологические проблемы КМА и пути их решения / В.Н. Морозов, В.К. Кушнеренко, В.Н. Анисимов // Горная промышленность. – 2003. – № 2. – С. 12–16.

По данным Европейского агентства по охране окружающей среды, наиболее распространенными загрязнителями почвы, наряду с минеральными маслами (38 %) и полициклическими ароматическими углеводородами (13 %), являются микроэлементы (37 %) [1]. К числу последних относятся тяжелые металлы (ТМ) – опасные загрязнители природной среды, наибольшая концентрация которых наблюдается в почвах [2]. Все большие площади земель, в том числе и сельскохозяйственного назначения, оказываются загрязненными тяжелыми металлами, поэтому весьма актуальной становится проблема их ремедиации, очистки и ограничения распространения.

В настоящее время для очистки почвы от ТМ применяются различные методы: удаление и захоронение загрязненных почв, вымывание ТМ водой, химические методы, микробиологические, фиторемедиация, электромелиорация, сорбционный метод [3–7]. Последний метод заключается в обработке почвы сорбирующими материалами, которые должны связывать токсичные металлы в недоступные для растений формы.

Использование в качестве сорбентов дешевых, доступных природных материалов, например таких, как глина, цеолиты, обладающих высокой сорбционной емкостью, делает этот метод экономически целесообразным и должно обеспечить высокую степень перевода ТМ из водорастворимой формы в связанную, т.е. не в водорастворимую и, следовательно, не доступную для внедрения в ткани растений.

Сорбционная способность бентонитоподобных глин по отношению к ионам тяжелых металлов (Pb, Cu, Fe, Cd, Cr, Sr и др.) исследовалась нами на модельных водных растворах их солей. Результаты этих работ отражены во многих научных публикациях, в частности в работах [8–10].

К числу наиболее опасных и распространенных тяжелых металлов загрязнителей почв относится свинец. Научными сотрудниками НИУ «БелГУ» установлено загрязнение свинцом и другими ТМ почв Старооскольско-Губкинского промышленного района Белгородской области, где производится добыча железной руды открытым способом, функционируют Лебединский и Стойленский горнообогатительные комбинаты, Оскольский электрометаллургический комбинат (ОЭМК), АО «Осколцемент» (холдинг «ЕВРОЦЕМЕНТгруп»), ТЭЦ и ряд других крупных промышленных предприятий [11].

Нами получены предварительные положительные результаты по использованию монтмориллонитсодержащих глин для очистки почвы от ионов свинца и меди [12]. Данная работа является продолжением вышеуказанных исследований. Цель её – изучение сорбционной способности глины Сергиевского месторождения Губкинского района для очистки почвы от свинца.

Материалы и методы исследования

Для проведения экспериментальной работы по сорбционной очистке плодородной почвы от ионов свинца (II) использованы два образца почвы и в качестве сорбента два образца глины, отличающиеся по вещественному составу и свойствам. Первые два образца (К-8-05 и 129), отобранные в Старооскольско-Губкинском промышленном районе, представляют собой верхний плодородный слой почвы, взятый с глубины 10 см, так как преимущественно в верхних ее горизонтах накапливаются тяжелые металлы техногенного происхождения. Образцы К-7-05 и К-7-05 ЮЗ – это глины киевской свиты Сергиевского месторождения Губкинского района, отобранные соответственно с глубины 0,5–0,75 м и 1,25–1,5 м.

Подготовка проб почвы и глины для исследования проведена следующим образом: образцы предварительно высушили в сушильном шкафу при температуре 105–120 °С до постоянной массы, затем глину измельчили в фарфоровой ступке пестиком до порошкообразного состояния с размером частиц менее 50 мкм.

Определение свинца в почвах и глинах проведено методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС) по стандартной методике ЦИНАО [13]:

– валовое содержание химическим разложением проб азотной кислотой (1:1);

– подвижные кислоторастворимые формы экстракцией 1 н азотной кислотой;

– подвижные, доступные растениям формы экстракцией ацетатно-аммонийным буферным раствором (ААБ) с рН = 4,8.

Последний экстрагент принят агрохимической службой для извлечения доступных растениям микроэлементов.

Определение массовой доли сорбционноактивного минерала монтмориллонита в глине осуществляли методом адсорбционного люминесцентного анализа, основанного на катионообменной адсорбции глиной органических красителей на основе люминофоров с образованием коагулянта органоглинистого комплекса.

Исследование глины как сорбента свинца проведено с водной и буферной вытяжками из почвы. Сущность метода приготовления водной вытяжки заключается в извлечении водорастворимых солей из почвы дистиллированной водой при массовом соотношении почва: вода = 1:5 в течение 4-х часов.

Буферную вытяжку из почвы готовили по вышеуказанной стандартной методике ЦИНАО с помощью ацетатно-аммонийного буферного раствора с рН = 4,8 [13].

Сорбцию ионов свинца (II) из буферной вытяжки почвы проводили при постоянной температуре (20 °С) в статических условиях в течение 90 минут. Время экспозиции для достижения сорбционного равновесия определено предварительными опытами. Сорбент (глину) брали в количестве 0,1; 0,5; 1; 3 и 5 г на 50 мл буферной вытяжки (ставили 5 параллельных опытов). Концентрацию подвижных, доступных растениям форм свинца в буферной вытяжке до и после адсорбции определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС).

Результаты исследования и их обсуждение

Как было показано нами в работе [12] на основе агрохимического обследования пахотных почв Губкинского и Старооскольского районов, валовое содержание свинца в среднем составляет 15 мг/кг.

Результаты определения валового содержания и содержания подвижных форм свинца в нескольких образцах, отобранных для более детального исследования, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Валовое содержание и содержание подвижных форм свинца в почвах и глинах

Содержание свинца, мг/кг

Почва

Глина

К-8-05

129

К-7-05

К-7-05 ЮЗ

Валовое

11,50

15,50

5,20

8,00

Подвижные кислоторастворимые формы

6,50

8,50

0,75

1,60

Подвижные, доступные растениям формы

1,20

8,30

0,65

1,05

Таблица 2

Химический состав глины, мас. %

№ п/п

Образец

SiO2

Al2O3

Fe2O3

TiO2

MgO

CaO

K2O

Na2O

ППП

Сумма

1

К-7-05

60,35–65,88

16,95–19,54

5,74–6,92

0,91–1,51

1,76–1,97

0,85–0,86

2,35–3,53

0,23–0,29

10,53–11,30

100,00–100,26

2

К-7-05 ЮЗ

61,94–73,77

9,12–17,86

4,78–12,53

0,60–1,28

1,40–1,54

0,93–0,95

2,25–3,91

0,30–0,37

6,49–9,89

100,00–100,03

Валовое содержание свинца в исследуемых почвах составляет 11,5–15,5 мг/кг, что выше фонового значения (10 мг/кг) для почв мира [13], но меньше ПДК (ОДК) (с учетом фонового содержания) для разных типов почв (32–130 мг/кг).

Содержание подвижной кислоторастворимой формы свинца в исследованных образцах почвы составило 6,5–8,5 мг/кг, что выше ПДК (ОДК) для подвижной формы (6,0 мг/кг). Содержание подвижных, доступных растениям форм свинца в указанных образцах меньше, чем кислоторастворимых форм. Следует отметить сравнительно высокое содержание (8,30 мг/кг) подвижной, доступной растениям форм свинца в образце 129. Этот образец почвы и в целом характеризуется более высоким содержанием свинца, по сравнению с образцом К-8-05.

Исходя из геохимических особенностей Старооскольско-Губкинского промышленного района, входящего в состав Курской магнитной аномалии (КМА), повышенное содержание свинца в почвах можно объяснить несколькими факторами. Во-первых, свинец может иметь радиогенное происхождение, так как из четырех стабильных изотопов, встречающихся в природе, три (Pb-206, Pb-207 и Pb-208) являются радиогенными, конечными продуктами распада нескольких радиоактивных рядов. По данным Е.А. Котенко, В.Н. Морозова, В.К. Кушнеренко, В.Н. Анисимова, на территории Старооскольско-Губкинского промышленного района выявлено радиационное загрязнение [14]. Во-вторых, свинец самородный содержится в магнетитовой железной руде (Fe3O4) в виде вкраплений, при ее добыче открытым способом рассеивается в окружающей среде и осаждается на почву. В-третьих, прожилково-вкрапленные свинцовые руды могут встречаться в карбонатных породах, в частности, на основе кальцита, столь распространенных на территории Белгородской области, в том числе в зоне меловых систем указанных районов [12].

Содержание свинца в исследуемых глинах значительно меньше, чем в верхнем плодородном слое почвы, что, вероятно, может свидетельствовать о его техногенном загрязнении, а также о преимущественном природном происхождении свинца в глинах.

Характер вертикального распределения ТМ в естественных и техногенных ландшафтах существенно различается. Для техногенных территорий характерно накопление свинца в верхнем гумусовом горизонте и понижение его содержания в нижележащих горизонтах. На фоновых участках такого кумулятивного распределения свинца не наблюдается. В наших исследованиях указанная закономерность проявляется. На глубине 0,5 м, по сравнению с верхним слоем, содержание свинца меньше: валовое и доступных растениям форм практически в 2 раза, а кислоторастворимых форм – в 8,7 раза (см. образцы К-7-05 и К-8-05 в табл.1). Можно считать, что в исследуемом случае техногенное загрязнение не распространяется на глубину более 0,5 м.

Более высокое содержание свинца во втором образце глины (К-7-05 ЮЗ), по сравнению с первым (К-7-05), можно объяснить большим содержанием в нем обменных катионов Са2+, К+, Na+ (табл. 2), а также более высоким содержанием сорбционноактивного минерала монтмориллонита, которое для указанных образцов соответственно составляет 52 мас. % и 47 мас %. В породообразующих минералах возможно замещение макроэлементов в структуре кристаллических решеток на рассеянные элементы с близким ионным радиусом, например К+ (0,133 нм) на Pb2+ (0,126 нм).

Исследования сорбционной способности указанных образцов глины по отношению к свинцу, содержащемуся в почве, проведены с ее водной и буферной вытяжками (по вышеописанной методике). Проведенное исследование показало, что водорастворимые соединения свинца в обоих образцах почвы не обнаружены.

В буферной вытяжке из почвы (экстрагент – ацетатно-аммонийный буферный раствор с рН = 4,8) исходная концентрация (до сорбции) подвижных, доступных растениям форм свинца для почв К-8-05 и 129 соответственно составила 1,2 мг/кг и 8,3 мг/кг (см. табл. 1). После проведения сорбции, в условиях максимального содержания сорбента (5 г на 50 мл буферной вытяжки), остаточное содержание подвижных, доступных растениям форм в образцах почвы К-8-05 и 129 составило соответственно 0,2 мг/кг и 0,5 мг/кг, то есть уменьшилось в 6 и 17 раз.

Более подробные сведения о сорбционной способности глин при очистке буферной вытяжки из почв при разных массах сорбента представлены на рисунке.

vez1a.wmf vez1b.wmf

а б

vez1c.wmf

в

Эффективность очистки буферной вытяжки из почвы от подвижных форм свинца. Условные обозначения: а) глина К-7-05, почва К-8-05; б) глина К-7-05 ЮЗ, почва К-8-05; в) глина К-7-05, почва 129

Результаты, представленные на рисунке (а и б), показывают, что с увеличением массы сорбента от 0,1 до 5,0 г степень очистки буферной вытяжки из почвы К-8-05 от подвижных форм свинца обоими образцами глин возрастает практически одинаково (от 33 до 83 мас. %). Это, вероятно, можно объяснить тем, что второй образец глины (К-7-05 ЮЗ), наряду с более высоким содержанием сорбционноактивного минерала монтмориллонита, которое предполагает и более высокую сорбционную способность, в то же время характеризуется и более высоким содержанием свинца в исходном состоянии, по сравнению с глиной К-7-05 (см. табл. 1). Другими словами, во втором образце часть вакансий для катионного обмена с почвой уже занята.

Сравнительный анализ рисунков а, б и в показывает, что эффективность очистки почвы 129 выше, чем почвы К-8-05. По мере увеличения массы сорбента она возрастает от 67 до 94 мас. %, что можно объяснить значительно более высоким содержанием подвижных форм свинца в этом образце почвы по сравнению с почвой К-8-05.

Можно предложить следующий механизм связывания и внедрения свинца в кристаллическую решетку сорбционноактивного минерала. Поглощение катионов свинца монтмориллонитом происходит как за счет катионного обмена в межпакетных позициях, так и за счет адсорбции на внешней поверхности, прежде всего, на торцевой части слоистых кристаллов, имеющей выход активных центров, представляющих собой нескомпенсированные связи.

Заключение

Среднее значение валового содержания свинца в почвах Старооскольско-Губкинского промышленного района составляет 15 мг/кг, что выше фонового значения, но не превышает ПДК. Содержание подвижных форм свинца в исследуемых почвах выше предельно допустимых значений. Водорастворимые формы свинца не обнаружены. Свинец в почвах и глинах имеет как природное происхождение (радиогенное, вкрапления в магнетитовой железной руде и карбонатных породах), так и техногенное. Эффективность сорбционной очистки почвы от подвижных, доступных растениям форм свинца с использованием монтмориллонитсодержащих глин Сергиевского месторождения составляет 83–94 мас. %. Предложен механизм очистки почвы от подвижных форм свинца, носящий характер катионного обмена и адсорбции на внешней поверхности слоистых кристаллов.


Библиографическая ссылка

Везенцев А.И., Голдовская-Перистая Л.Ф., Добродомова-Копылова Е.В., Перистый В.А., Кормош Е.В., Здоренко Н.М. МОНТМОРИЛЛОНИТОВЫЕ ГЛИНЫ ДЛЯ СОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ПОЧВЫ ОТ ПОДВИЖНЫХ ФОРМ СВИНЦА // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 8. – С. 7-12;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36512 (дата обращения: 07.08.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074