Магнийсодержащие мелиоранты из горнопромышленных отходов для восстановления дефолиирующих лесов

В настоящее время существует проблема дефолиирующих лесов, возникшая из-за возросших масштабов промышленных выбросов оксидов азота и серы. Выпадение «кислотных» дождей привело к расширению негативных явлений в природе и обусловило глобальный характер антропогенного подкисления почв.

Кислотные" дожди в определенных условиях могут приводить к значительным изменениям свойств почв лесных биогеоценозов. Под их воздействием повышается кислотность почв, возрастает растворимость и мобильность катионов, в том числе тяжелых металлов и алюминия. Они также способствуют снижению запасов элементов минерального питания (катионов кальция, калия, магния, марганца и других) и замещению в почвенном поглощающем комплексе этих элементов ионами водорода, катионами тяжелых металлов. Из-за дисбаланса в поглощении элементов питания растениями возникает явление дефолиации лесов.

Воздействие кислотных выпадений уже привело к серьезному повреждению лесов в России, Европе и Северной Америке, а также вызвало подкисление поверхностных вод в этих регионах.

Анализ многочисленных литературных источников свидетельствует, что действенным способом сохранения и восстановления поврежденных территорий может быть оптимизация питательного режима почв путем внесения безвозвратно утраченных экосистемами элементов питания в виде удобрений и мелиорантов. Применение традиционных удобрений в качестве мелиорантов для восстановления дефолиирующих лесов дает положительный эффект, но ограничено прежде всего из-за того, что они имеют ряд недостатков: удобрения достаточно дороги, некоторые из них быстро вымываются из почвы, а также слишком резко снижают кислотность почв.

Актуальной задачей является поиск и разработка нетрадиционных мелиорантов, позволяющих оптимизировать функционирование природных экосистем в индустриально развитых регионах.

Для почв Кольского полуострова наиболее дефицитным элементом питания растений является магний. В связи с этим, первоочередной задачей является получение магниевых мелиорантов. Классическое магнезиальное сырье является дефицитным, однако предприятиями Мурманской области накоплено большое количество отходов, содержащих силикаты магния. Настоящая работа посвящена определению возможности использования магнийсодержащих отходов в качестве сырья для получения мелиорантов.

Следует отметить, что разработка безотходных технологий переработки минерального сырья и, в частности, технологий утилизации горнопромышленных отходов в настоящее время является основной тенденцией развития промышленности.

В современных условиях горнопромышленный комплекс является крупнейшим фактором неблагоприятного воздействия на окружающую среду. В связи со снижением требований к качеству руд, хвосты обогащения прошлых лет рассматривают как техногенные месторождения. Возрастающая потребность в минеральном сырье обусловила вовлечение более бедных руд в переработку, что привело к резкому увеличению объема горнопромышленных отходов. В процессе добычи и переработки природного минерального сырья от 50 до 90% складируется в виде вскрышных пород и хвостов обогащения. Отвалы и хвостохранилища не только занимают огромные площади, но и неблагоприятно влияют на окружающую среду. Последствия складирования горнопромышленных отходов уже в настоящее время в ряде горнодобывающих районов становятся серьезным препятствием дальнейшему развитию добычи минерального сырья, которая каждые 8−10 лет удваивается [1].

Особенно опасно складировать горнопромышленные отходы в районе с экстремальными климатическими условиями, например в Заполярье. В то же время потребность в минерально-сырьевых ресурсах непрерывно растет.

Отечественные горнодобывающие предприятия ежегодно складируют около 5 млрд. т вскрышных пород и 700 млн. т хвостов обогащения. В отвалах накоплено более 1 млрд. т золошлаковых смесей тепловых электростанций и металлургических шлаков [2]. Отвалы занимают 0.1 га площади земли на каждые 1000 т сырья [3] прогнозируется повышение этой цифры в 1.5 — 1.7 раза. Это требует существенного увеличения затрат на их складирование, хранение и природоохранные мероприятия. В этих условиях создание и освоение ресурсосберегающих технологических процессов комплексной переработки сырья становятся узловыми вопросами рационального природопользования.

В данной работе проведены исследования, позволяющие определить эффективность применения термоактивированных серпентинсодержащих горнопромышленных отходов (на примере термоактивированного сунгулита) в качестве мелиоранта, а также предложена технология получения мелиоранта на основе безводных силикатов магния, что значительно расширяет сырьевую базу получения удобрений и мелиорантов из горнопромышленных отходов.

Отходы, содержащие серпентиновые минералы (гидросиликаты магния) являются широко распространенным сырьем как на Кольском полуострове, так и за его пределами. Они входят в состав многих горнопромышленных отходов, в частности хвостов обогащения медно-никелевых, хризотил-асбестовых, вермикулитовых, оливинитовых и ряда других руд, а также вскрышных пород вермикулитовых, оливинитовых и медно-никелевых месторождений.

Сырьем для получения мелиорантов на основе безводных силикатов магния могут служить оливиниты Хабозерского месторождения, хвосты обогащения вермикулитовых руд, дуниты вскрыши хромитовых месторождений Мончегорского района и Лесной Вараки.

В результате иследований установлен оптимальный режим полного извлечения магния из исходного оливинсодержащего сырья в раствор с применением затравки и дозированной подачи сырья.

Показано, что использование частично обожженного доломита в качестве нейтрализующего реагента позволяет нейтрализовать остатки кислоты в магнийсодержащем растворе, добавление новой порции доломита при соотношении М§ Б04 в растворе и N⁰ в частично обожженном доломите от 1:1 до 1:3 позволяет получить магниевый мелиорант с щелочной реакцией.

Для проверки эффективности мелиорантов были проведены опытно-промышленные испытания. Опытные партии мелиоранта на основе термоактивированного сунгулита и мелиоранта, полученного из оливинсодержащего сырья с помощью сернокислотной обработки вносили в почву опытных участков района, подверженного вредному воздействию кислотных дождей.

Натурные испытания показали эффективность применения предложенных мелиорантов для восстановления дефолиирующих лесов.

Достоинствами разрабатываемых мелиорантов, произведенных на основе отходов горнопромышленных предприятий — силикатов и гидросиликатов магния, являются:

• высокая эффективность снижения негативного воздействия «кислотных» дождей на лесные биогеоценозы благодаря уменьшению кислотности почв, обогащению их дефицитными элементами питания (магнием и кальцием);

• пролонгированное и мягкое действие вследствие медленного высвобождения элементов питания, которые поглощаются микроорганизмами и растениями и не выносятся в грунтовые и поверхностные воды;

• частичная иммобилизация соединений алюминия и тяжелых металлов;

• относительно низкая стоимость, широкая распространенность сырья — горнопромышленных отходов («хвосты» обогащения оливинитов, вермикулита, медно-никелевых руд) для его получения на Кольском полуострове.

Результаты исследований были представлены на различных конкурсах и защищены патентом. Получены следующие свидетельства успешной апробации работы.

1. Пат. 2 206 554 РФ МПК6 С 05 О 5/00, 9/00. Способ получения магниевого удобрения / В. Н. Макаров, Н. К. Манакова, Калинников В. Т., Никонов В. В., Лукина Н.В.- Ин-т химии и технологии редких элементов и минер, сырья Кол. науч. центра РАН.— № 2 002 111 945/12- Заявл. 06.05.2002; Опубл. 20.06.2003, Бюл. № 17. Приложение А.

2. Работа «Разработка технологии получения магниевого мелиоранта из безводных силикатов магния» вошла в число победителей конкурса молодых ученых на Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования, 2002.

3. Персональный грант для молодых ученых и специалистов Санкт-Петербурга и Северо-Запада России на завершение кандидатского проекта. Приложение Б.

4. Серебряная медаль на Всероссийском научно-промышленном форуме «Россия Единая — 2003» за работу «Магниевый мелиорант для реабилитации дефолиирующих лесов в зонах промышленного загрязнения». Приложение Б.

5. Победа в конкурсе молодых ученых на Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования за работу «Разработка технологии получения магниевого мелиоранта из безводных силикатов магния».

Автор испытывает чувство глубокой благодарности за неоценимую помощь безвременно ушедшему на заключительном этапе написания работы к научному руководителю, д.т.н., профессору |Макарову В.Н.| сотрудникам Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева, к.т.н. Гуревич Б. И, к.т.н. Громову П. Б., к.т.н. Кременецкой И. П. за содействие и помощь в подготовке диссертации к защите, сотрудникам Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН за организацию и проведение испытаний в природных условиях д.б.н.,.

Лукиной Н.В., д.б.н. [Никонову В.В.

1.Н., Барский Л. А., Персиц В. З. Безотходная технология переработки минерального сырья. Системный анализ. — М.: Недра, 1984. — 334 с.

2. Барский Л. А. Основные направления разработки безотходной технологии на горно-металлургических предприятиях // Физико-технические проблемы разработки твердых полезных ископаемых. М.: ИПКОН, 1983. -С.162- 173.

3. Барский Л. А., Алабян И. М. Безотходная технология переработки минерального сырья // Итоги науки и техники. Серия: Обогащение полезных ископаемых. М.: ВИНИТИ, 1981. — Т.15. — 102 с.

4. Кислотные осадки и лесные почвы. Под ред. В. В. Никонова и Г. Н. Копцик. Апатиты, 1999. — 320 с.

5. Лукина Н. В., Никонов В. В. Биогеохимические циклы в лесах Севера в условиях аэротехногенного загрязнения.- Апатиты: КНЦ РАН, 1996. ч.1. -213 с.

6. Hutchincon Т.С. and Whitby L.M. Heavy-metal pollution in the Sudbury mining and smelting region of Canada // Environ. Conserv. 1974. — V. 1. — P. 123 -132.

7. Hallbacken L. and Tamm C.O. Changes in soil acidity from 1927 to 1982 -1984 in forest area in south-west Sweden // Scand. J. For. Res. L. 1986. P.219 -232.

8. Falkengren-Grerup U. Long-term changes in pH of forest soils in southern Sweden // Environmental Pollution.- 1987. V.43. P. 79 — 90.

9. Zoettl H.W., Huettl R.F. Nutrient supply and forest decline in South West Germany// Water, air and soil pollution.- 1986. V.31, !/2.P.449 — 463.

10. Zoettl et. al/ Nutritional disturbance and historical changes in declining forests // Water, Air, and Soil Pollution, № 48, 1989. P.87 — 109.

11. Evers F. -H. and Huettl R.F. A new fertilization strategy in declining forests // Zoettl H.W. and Huettl R.F. (Editors). Menegement of nutrition forests under stress. Kliver Academic, Pubshers. 1991. P. 79 — 90.

12. Tomlinson G.H. Nutrient disturbances in forest trees and nature of the forest decline in Quebec and Germany // Zoettl H.W. and Huettl R.F. (Editors).Management of nutrition in forests under stress. Kliver Academic, Pubshers.1991. P. 61−74.

13. Лукина H.B., Никонов B.B., Райтио X Химический состав хвои сосны на Кольском п-ве // Лесоведение, № 6, 1994. С. 10−21.

14. Лукина Н. В., Никонов В. В. Питательный режим лесов северной тайги (природные и техногенные аспекты). Апатиты изд во КНЦ РАН, под ред. д.б.н., п. Л. О. Карпачевского., 1998. — 316 с.

15. Цветков В. Ф., Чекризов Е. А. Опыт лесной рекультивации на территориях, поврежденных промышленными выбросами на Кольском полуострове // Влияние промышленных предприятий на окружающую среду. -М., 1987.-С. 112−119.

16. Панкратова Р. П., Цветков В. Ф., Никонов В. В. Изменение свойств подзолистых гумусовых почв северных техногенных ландшафтов (Кольский полуостров) в результате рекультивации // Тез. докл. VII Делегатского съезда почвоведов. 4.1. Ташкент, 1985. С. 185.

17. Панкратова Р. П., Цветков В. Ф. Роль удобрений при рекультивации почв, нарушенных промышленными выбросами на Крайнем Севере // Применение удобрений в лесном хозяйстве. Архангельск. Тез. докл., 1988. -С. 182 183.

18. Winterhalder К. Environmental degradation and rehabilitation of the landscape around Sudbuiy, a major mining and smelting area // Environ. Rev., 1996, № 4,-P. 185−224.

19. Церлинг B.B. Диагностика питания растений по их химическому анализу // Агрохимические методы исследования почв.- М., 1965. С. 387 — 422.

20. Piotrowcka M / Uruchamianie metali ciezkich w glebach zanieczy-szczonich hylami nuty miedzi i ich pobieranie przez kurkowke // Pamietnik Pulawski. Praceiung. 1981. — Z. 75. — S. 181 — 186.

21. Орлов А. Я., Кошельков С. П. Почвенная экология сосны. М.: Наука. 1971.-322 с.

22. Ильин В. Б. Тяжелые металлы в системе почва растения.-Новосибирск: Наука, 1991. — 151 с.

23. Казимиров Н. И., Морозова Р. М. Биологический круговорот веществ в ельниках Карелии. Л.: Наука, 1973. — 174 с.

24. Stone E.L. Microelement nutrition of forest trees: a review. Forest Fertilization: Teory and Practice. Tennessee Valley Authoritety, Muscle Shoals, AL, U.S.A., 1968.-P. 63 -72.

25. Morrison I.K. Mineral nutrition of conifers with special reference to nutrient status interpretation: a review of literature. Can. For. Serv. Puplication, 1974. № 1343.-74 p.

26. Reigber E. and Braun G. Forstliche Bioindikatoruntersuchungen in BayernMethodik imd erste Ergebrnsse 1981/1982. Forstliche Forschungsberichte Munchen. -№ 68.1985. 179 S.

27. Zoettl H.W., Huettl R.F. (Eds.). Management of nutrition in forests under stress. Kliwer Academic Publishers, 1991. 668 p.

28. Церлинг B.B. Агрохимические основы диагностики минерального питания сельскохозяйственных культур.- М.: Наука, 1978. 215 с.

29. Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества: В 2-х т. Т.2 М: Мир, 1989. — 477 с.

30. Westermann D.T., Jackson T.L. and Moore D.P. The effect of potassium salts on extractable soil magnese // Soil Sci Soc. Am. 1, 1971, № 35. P. 185 224.

31. Tu S., Racz J.G. and Cho C.M. Exraction of magnese from soils with potassium salts // Soil Sci Soc. Am. 1, 1995, № 59. P. 128 — 288.

32. Piotrowcka М/ Uruchamianie metali ciezkich w glebach zanieczyszczonich hylami nuty miedzi i ich pobieranie przez kurkowke// Pamietnik Pulawski. Praceiung. -1981. -Z. 75.-S. 181 -186.

33. Derome JoHn, Kukkola Mikko, Malkonen Eino. Forest Liming on Mineral Soils. Resalts of Finnish Experiments/ Report 3084/. National Swedish Environment Protection Board. Solna, 1986. 107 p.

34. Макаров B.H. Минералогические критерии комплексной переработки рудовмещающих гипербазитов. Апатиты: КНЦ РАН, 1989. — 96 с.

35. А.с.339 523 (СССР), С 04 В 15/02, 21/00. ЛИСИ № 1 477 148/29−33. Сырьевая смесь для изготовления ячеистого бетона. Боженов П. И., Сальникова B.C., Прокофьева В. В., опубл. Б.И. 1972, N 17.

36. А.с. 455 930 (СССР), МКИ С 04 В31/08, 31/02,15/16 ЛИСИ № 1 931 008/29−33. Заявл. 13.06.73. Масса для изготовления асбоцементныхизделий. Боженов П. И., Вареников И. М., Ракицкая З. Н., Сальникова B.C. и др. Опубл. Б.И. 1975, N 1.

37. A.c. 617 429 (СССР), ЛИСИ № 2 413 078/29−33. Смесь для изготовления асбестосодержащих изделий. Боженов П. И., Вареников И. М., Ракицкая З. Н., Смелкова A.B., Хренов В. И. Заявл.20.10.76. Опубл. Б.И. 1975, N28.

38. Боженов П. И. Комплексное использование минерального сырья и экология. М.: Ассоциация строительных вузов, 1994. 268 С.

39. Боженов П. И., Прокофьева В. И. Использование отходов обогащения ковдорских магнетитовых руд в производстве строительных материалов // Сб. Трудов КФ АН СССР, 1972. С. 42−45.

40. Прокофьева В. В., Боженов П. И., Сухачев А. И., Еремин Н. Я. Использование попутных продуктов обогащения железных руд в строительстве на севере. Л.: Стройиздат. 1986. — 176 С.

41. Прокофьева В. В., Хренов В. И. Использование силикатов магния в производстве автоклавных материалов. Строительные материалы из попутных продуктов промышленности. Л.: ЛИСИ, 1975. — С. 27 — 35.

42. Прокофьева В. В. и др. Использование природных силикатов магния в производстве силикатного кирпича // Строительные материалы. 1970. — № 7, С. 18−21.

43. Прокофьева В. В. Использование силикатов магния в ячеистом бетоне//Сб. Трудов ЛИСИ-№ 1 (118). Л.: ЛИСИ, 1976. С. 85 — 88.

44. Прокофьева В. В. К проблеме использования хвостов обогащения железных руд, содержащих силикаты магния // Сб. Трудов ЛИСИ. Л.: ЛИСИ, 1983.С. 93 -97.

45. Сальникова B.C., Маслова Е. И. Об использовании некоторых силикатов магния в качестве наполнителя пластмасс // Труды XXIV конференции ЛИСИ. Л.: ЛИСИ, 1973.С.80−85.

46. A.c. 199 442 (СССР), МПК С04 В кл 80 В, 3./04 Заявл 5.07.19 651 015 965/29−14. Способ приготовления минерального вяжущего. Боженов П. И., Сальникова B.C., Прокофьева В. В., опубл. в Б.И.1967, N 15.

47. А.с.339 523 (СССР), С 04 В 15/02, 21/00. ЛИСИ № 1 477 148/29−33. Сырьевая смесь для изготовления ячеистого бетона. Боженов П. И., Сальникова B.C., Прокофьева В. В., опубл. Б.И. 1972, N 17.

48. Макаров В. Н. Экологические проблемы хранения и утилизации горнопромышленных отходов. Ч. 1. С. 125.

49. Макаров В. И., Кременецкая И. П., Мазухина С. И. Сорбция меди и никеля кальцитом и сунгулитом. // Сборник научных докладов VII международной конференции «Экология и развитие Северо-запада России». -Санкт-Петербург Ладога — Онега, 2−7 августа 2002. — С.

50. Патент CN 1 041 740, С1. С 01 F 5/24, Faming Zhuanli Shenqing GongKai Shuomingshu.

51. Патент 2 046 785 РФ С 05 D 5/00, 9/02. Способ получения магниевого удобрения. Хуснутдинов В. А., Тагиев Н. Г., Гонюх В. М., Корнилов A.B., Ведерников H.H., 1995. N 5.

52. Афанасьев А. П. Фанерозойские коры выветривания Балтийского щита и связанные с ними полезные ископаемые.- Л.: Наука, 1977. 244.

53. Van Herk J., Pietersen H.S., Schuiling R.D. Neutralization of indastrial waste asids wih olivine at 40 70 °C // Chem. Geol. 1989. — V/76 / - N 3 — 4. — P/341 -352.

54. Алтаев Ш. А., Карпыкбаева Б. Ш., Черний Г. М. A.C. 1 392 066/РФ, МКИ С 05 D 9/00, / Способ получения комплексного минерального удобрения / Заявка № 4 116 402/31 26. Заявлено 27.06.86. Опубликовано 30.04.88.Б.И. № 16.

55. Бозаджиев П., Михайлов Б., Гочев В. и др. Исследование разложения серпентинизированного дунита сернистым ангидридом. София, 1978(1981).- 14. N 4. — С.167 — 172. РЖХ, 1981. — 24. — П.48.

56. Аринушкина Е. В. Руководство по хим. анализу почв изд-во МГУ, 1970.

57. Александрова JI.H., Найденова О. Ф. Лабораторно-практические занятия по почвоведению Л., «Колос», 1976, с. 84.

58. Обухов А. И., Плеханова И. О. Атомно-абсорбционный анализ в почвенно-биологических исследованиях М., Из-во МГУ, 1991.

59. Добрицкая Ю. И. Методическое указание по экспресс-методу валового анализа почв, Почвенный институт им. Докучаева, 1971, с. 19.

60. Лурье Ю. Ю. Аналитическая химия пром-х сточных вод «Химия», 1984, с. 42.

61. Айлер Р. Химия кремнезема. М.: Мир. 1982, 1127 с.

62. Захаров В. И., Калинников В. Т., Матвеев В. А., Майоров Д. В. Химико-технологические основы и разработка новых направлений комплексной переработки и использования щелочных алюмосиликатов. -Апатиты: КНЦ РАН, 1995. С. 60 63.

63. Перельман В. И. Краткий справочник химика. Издание 3. Москва: Госхимиздат, 1954.-413 с.

64. Монастырев A.B. Производство извести. Учебник для подготовки рабочих на производстве. Изд. 2-е перераб. и доп. М., «Высшая школа», 1975., 223 с.

65. Юнг В. Н. Об искусственных конгломератах и цементах из некоторых горных пород М.: изд. АН СССР, 1946. С. 539 — 540.

66. Будников П. П., Мчедлов-Петросян 0. П. Проявление гидравлических вяжущих свойств у обожженного серпентинита. ДАН СССР. — 1950. — Т. 73. — N 3. — С. 539 — 540.

67. Мчедлов-Петросян 0. П. Изменение серпентина при нагревании. -Огнеупоры. 1950. — N 9. — С. 406 — 411.

68. Мчедлов-Петросян О. П. О вяжущих свойствах силикатов магния. ДАН СССР. 1951. — Т. 78. — N 3. — С. 557 — 559.

69. Макаров В. Н., Кременецкая И. П., Кожина И. С. Возможные пути использования вскрышных пород Ковдорского месторождения комплексных руд. // ИХТРЭМС КНЦ РАН. Апатиты, 2002. 35с. Деп. в ВИНИТИ 31.05.02. № 988-В 2002.

70. Макаров В. Н., Кременецкая И. П., Касиков А. Г., Мазухина С. И. Использование серпентиновых минералов для очистки воды от никеля. // «Металлургия цветных и редких металлов». Материалы II между нар. конф. -Красноярск, 2003. Т. 2, С. 144 — 146.

71. Патент 1Ш 2 151 132 С1 7 С 05 В 5/00, 9/00. Способ получения магниевого удобрения. Макаров В. Н., Калинников В. Т., Корытная О. П., Васильева Т. Н., Никонов В. В., Лукина Н.В.

72. Никонов В. В, Лукина Н. В. Методология мониторинга бореальных лесов России // «Экологические проблемы северных регионов и пути их решения». Материалы Международной конференции, Апатиты, 2004. Т.2, С. 75 76.