Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Закономерности электрохимической миграции ионов металлов и жидких углеводородов в дисперсных грунтах

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Некрасова, Марина Александровна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

Геологический факультет Кафедра инженерной и экологической геологии

На правах рукописи УДК 624.131+550.4

Некрасова Марина Александровна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ МИГРАЦИИ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ И ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ В ДИСПЕРСНЫХ

ГРУНТАХ

Специальность 04.00.07 инженерная геология, мерзлотоведение и

грунтоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: чл.-корр. РАЕН, профессор В.А. Королев

Москва - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение 5 Глава 1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОПОВЕРХНОСТНЫХ ПРОЦЕССАХ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СПОСОБАХ ИХ ОЧИСТКИ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ 12

1.1 История развития представлений об электрокинетических явлениях и их использование 42

1.2 Теоретические вопросы электрохимической миграции ионов металлов и углеводородов в грунтах 2-1

1.2.1 Электропроводность глинистых грунтов и изменение их окислительно-восстановительных условий 21

1.2.2 Электрохимические процессы в дисперсных грунтах 24

1.2.3 Электрокинетические процессы в глинистых грунтах Ъ1

1.2.4 Влияние электрического тока на минеральный состав и процессы структурообразования в глинистых грунтах 40

1.3 Электрические методы очистки грунтов 43 Выводы к главе 1 ¿¡<? Глава 2 ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМЫХ ГРУНТОВ 54

2.1 Выбор образцов для исследований 54

2.2 Химико-минеральный состав исследуемых грунтов 5 Б

2.3 Структурно-текстурные особенности исследуемых грунтов в а

2.4 Физические свойства исследуемых грунтов 6 7

2.5 Физико-химические свойства грунтов Б9 Выводы к главе 2 71 Глава 3 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 73

3.1 Методика подготовки образцов 73

3.1.1 Методика подготовки образцов к электрохимическим испытаниям

миграции щелочноземельных, переходных и тяжелых металлов та

3Л.2 Методика подготовки образцов для исследований электрохимической

миграции углеводородов ~Т Ш

3.2 Методика электрохимических испытаний 71

3.2.1 Методика испытаний электрохимической миграции ионов металлов %t

3.2.ZМетодика изучения электрохимической миграции жидких углеводородов 84

3.3 Методика обработки результатов электрохимических исследований 343.3.1 Методика определения содержания ионов щелочноземельных металлов щ

3.2.2 Методика определения содержания тяжелых металлов в дисперсных грунтах

3.3.3 Методика определения жидких углеводородов в дисперсных грунтах §3

3.4 Методика изучения минерального состава и микростроения глинистых грунтов g f

3.4.1 Методика изучения минерального состава

3.4.2 Методика исследования микроструктуры грунтов Выводы к главе 3

Глава 4 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО МАССОПЕРЕНОСА В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ ПРИ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С РАСТВОРАМИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ (СОЛЕЙ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ)

4.1 Влияние силы электрического тока на электрохимическую миграцию ионов щелочноземельных металлов в глинистых грунтах

4.2 Влияние исходной влажности грунта на электрохимическую миграцию ионов щелочноземельных металлов в глинистых грунтах ill

4.3 Влияние исходной концентрации порового раствора грунтов на электрохимическую миграцию ионов щелочноземельных металлов 102

4.4 Влияние дисперсности и минерального состава грунтов на электрохимическую миграцию ионов щелочноземельных металлов 101

4.5 Влияние электрического тока на формы нахождения и электрохимическую миграцию тяжелых и переходных металлов i- I

4.6 Сравнительная характеристика электрохимической миграции ионов щелочноземельных, переходных и тяжелых металлов в грунтах

4.7 Математическая модель электрохимической миграции ионов металлов в глинистых грунтах 125

4.8 Классифицирование загрязненных дисперсных грунтов по эффективности

их очистки электрическими методами д.2.

Выводы к главе 4 1Ъ О

Глава 5 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО МАССОПЕРЕНОСА В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ ПРИ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ЖИДКИМИ УГЛЕВОДОРОДАМИ 1

5.1 Влияние исходного соотношения «нефть - вода» на электрохимическую миграцию углеводородов в глинистых грунтах

5.2 Влияние исходной концентрации порового раствора на электрохимическую миграцию углеводородов в глинистых грунтах А Ъ7

5.3 Влияние химического состава порового раствора на электрохимическую миграцию углеводородов в глинистых грунтах 141

5.4 Влияние состава жидких углеводородов на их электрохимическую миграцию в глинистых грунтах 14-5

5.5 Формы нахождения углеводородов в глинистых грунтах при электрохимической миграции 14-|

Выводы к главе 5 151

Глава 6 ИЗМЕНЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ МИГРАЦИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ И УГЛЕВОДОРОДОВ 154

6.1 Изменение микроструктуры глинистых грунтов в результате электрохимической миграции неорганических электролитов 454

6.2 Изменение микроструктуры глинистых грунтов в результате электрохимической миграции углеводородов 1&В

Выводы к главе 6 1&4-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 176

Список литературы 110

ВВЕДЕНИЕ

Исследование электрохимической миграции органических и неорганических веществ в грунтах является одним из важных направлений в области инженерной и экологической геологии, имеющих большое научное и практическое значение. Изучение воздействия электрического тока на массоперенос различных, в том числе токсичных, элементов в грунтах необходимо для развития теоретических вопросов инженерной и экологической геологии, технической мелиорации грунтов, геохимии и нефтяной геологии, в частности, вопросов формирования и преобразования состава и свойств грунтов при интенсивном техногенном воздействии. Практическое значение данного направления связано с проблемами реабилитации территорий, подвергшихся интенсивному техногенному загрязнению разного характера, от нефтяного до радионуклидного.

Таким образом, проблема электрохимической миграции ионов металлов и жидких углеводородов является весьма актуальной и требует специального рассмотрения.

На современном этапе развития инженерной и экологической геологии накоплен определенный материал, позволяющий выделить два направления в изучении проблемы электрохимической миграции химических элементов: теоретическое и практическое.

Теоретическое направление связанно с изучением факторов влияющих на электрокинетические явления в дисперсных грунтах и проявление этих процессов в природных условиях. Влияние различных физико-химических факторов на интенсивность электрокинетических процессов в грунтах изучались Б.В. Дерягиным, 1969; O.JI Алексеевым, 1978; P.C. Зиангировым, 1979; С.С. Духиным, 1985; К.П. Тихомоловой, 1989; Р.И. Злочевской, и др., 1964, 1969, 1980; В.А. Королевым, 1988 и др. Исследования геоэлектрохимической миграции ионов металлов и углеводородов нашли своё отражение в работах Я.М. Нюссика и И.Л. Комова, 1981; А.Г. Хайретдинова, 1990; Ю.А. Большакова , 1995; В.А. Королева и М.А. Некрасовой 1996, 1997,1998 и др.

Второе направление связано с изучением влияния электрического тока на формирование и улучшение свойств грунтов. Этим направлением занимались П. С. Толстопятое, 1940; Б.А. Ржаницин, 1942; Г.М. Ломизе и A.B. Нетушил, 1958; A.C.

Коржуев и Н.И. Титков, 1959; Г.Н. Жинкин, 1966; А.Ф. Вадюнина, 1966, 1968; C.B. Нерпини А.Ф. Чудновский, 1968; Н.Ф. Бондаренко, 1973; P.C. Зиангиров, 1979; и др. Исследования этих авторов доказали возможность применения электрического тока для закрепления и осушения грунтов, а также их обессоливания.

В настоящее время на основе результатов полученных как в России, так и за рубежом, интенсивно развивается метод электрохимической очистки грунтов от неорганических и полярных органических загрязнений. Однако, несмотря на проведенные исследования, ряд принципиально важных вопросов остался не изученным. Прежде всего, это касается особенностей взаимодействия тяжелых металлов и углеводородов с поверхностью глинистых минералов и миграцией этих компонентов под действием постоянного электрического тока.

Таким образом, исследование электрохимической миграции ионов металлов и жидких углеводородов в дисперсных грунтах - одно из важных научных направлений в инженерно-геологических и эколого-геологических исследованиях электрокинетических и электрохимических свойств грунтов. Всестороннее изучение вопросов электрохимической миграции ионов металлов и углеводородов в дисперсных грунтах необходимо для оценки перспективности использования этого явления при разработке новых экологических технологий, новых методов очистки грунтов от загрязнений. Исследование форм миграции тяжелых металлов и углеводородов в дисперсных грунтах под действием постоянного электрического тока позволит лучше разобраться в механизмах их миграции и искусственного удаления.

Настоящая работа была поставлена с целью изучения закономерностей электрохимической миграции ионов металлов и жидких углеводородов в дисперсных грунтах под влиянием различных факторов.

В задачи, решаемые данной работой, входило:

- усовершенствование методики проведения экспериментальных лабораторных исследований по изучению электрохимической миграции ионов металлов и углеводородов в грунтах;

- изучение закономерностей миграции ионов металлов в поровом растворе и поглощенном комплексе дисперсных грунтов под действием постоянного электрического тока в зависимости от их состава, свойств и других факторов;

- исследование закономерностей электрохимической миграции жидких углеводородов в дисперсных грунтах в зависимости от состава и концентрации их порового раствора;

- изучение закономерностей изменения микроструктуры дисперсных грунтов в результате электрохимической миграции ионов металлов и углеводородов;

Научная новизна работы заключается в том, что нами впервые:

1. Усовершенствована методика экспериментального изучения и анализа электрохимической миграции ионов тяжелых и щелочноземельных металлов и углеводородов в дисперсных грунтах, заключающаяся в следующем:

а. обосновано использование открытой и закрытой схем электроосмотической ячейки; в том числе, для исследования миграции жидких углеводородов;

б. предложена методика последовательной экстракции тяжелых металлов из дисперсных грунтов с целью определения их содержания в водорастворимой, специфически (необменной) и неспецифически (обменной) адсорбированной форме, в адсорбированной на карбонатах, аморфных окислах и гидроокислах железа и марганца формах после электрохимических испытаний;

в. для определения концентариции тяжелых металлов непосредственно в твердой фазе грунтов подвергшихся воздействию тока, был использован энергодисперсный рентгеноспектральный анализ и обосновано преимущество его использования для решаемых задач;

г. обосновано применение усовершенствованного термического анализа с помощью «Дериватографа» для определения общего и фракционного содержания углеводородов в дисперсных грунтах без их предварительной подготовки.

2. Экспериментально установлены количественные закономерности по электрохимической миграции ионов тяжелых, переходных и щелочноземельных металлов в грунтах суглинистого состава, выявлено изменение форм нахождения тяжелых металлов в моноионных формах среднего суглинка под действием постоянного электрического тока.

3. Установлено явление очистки катодной зоны водонефтенасыщенных образцов глинистого грунта под действием постоянного электрического тока, а также:

а. выявлены зависимости между скоростью электрохимической миграции нефти, других жидких углеводородов и физическими, физико-химическими свойствами, а также составом порового раствора глин каолинитового состава;

б. получены зависимости интенсивности электрохимической миграции нефти от соотношения «электролит-нефть» в поровом пространстве каолинитовой глины и выявлены пределы, при которых возможен массоперенос всех фракций нефти;

в. экспериментально установлена различная интенсивность электрохимической миграции тех или иных фракций нефти в каолине;

г. на основе экспериментальных данных по зависимости скорости электрохимической миграции от состава обменных катионов и концентрации углеводородов предложены варианты строения ДЭС в водонефтенасыщенных грунтах.

4. Разработана математическая модель миграции тяжелых и щелочноземельных металлов под действием постоянного электрического тока. Полученные в результате статистической обработки экспериментальных данных коэффициенты могут быть использованы при прогнозировании степени электрохимической очистки грунтов на первой стадии эколого-геологических исследований.

5. Получены количественные данные об изменении микроструктуры дисперсных грунтов с щелочноземельными, тяжелыми металлами и жидкими углеводородами под действием постоянного электрического тока.

6. Разработана систематизация электрохимических методов очистки дисперсных грунтов от различных загрязнений по эффективности их воздействия.

На защиту выносятся следующие защищаемые положения:

1. Усовершенствована методика лабораторных исследований миграции ионов металлов и жидких углеводородов в дисперсных грунтах под действием постоянного электрического тока, заключающаяся в: а) выборе оптимального режима электрического тока; б) использовании открытой и закрытой схемы электроосмотической ячейки и прозрачных материалов для визуального макроскопического наблюдения за процессом электрохимической миграции углеводородов в процессе массопереноса; в) применении энергодисперсного рентгеноспектрального анализа для количественного определения содержания

тяжелых металлов в твердой фазе грунтов подвергшихся электрохимическому воздействию; г) обосновании применения термического анализа для количественного определения суммарного содержания жидких углеводородов и их фазового состава в грунтах после воздействия тока.

2. Установлены закономерности миграции щелочноземельных, тяжелых и переходных металлов в дисперсных грунтах под действием постоянного электрического тока.

3. Обнаружена существенная электрохимическая миграция нефти и (и других жидких углеводородов) в водонефтенасыщенной каолинитовой глине под действием постоянного электрического тока. Изучены закономерности этого процесса от состава и концентрации электролита порового раствора и исходного соотношения в породе «нефть - вода».

4. Установлены количественные закономерности изменения микроструктуры глинистых грунтов с различными загрязнениями (щелочноземельными, тяжелыми металлами и жидкими углеводородами) при их удалении под действием постоянного электрического тока.

Практическое значение полученных данных об электрохимической миграции ионов металлов и жидких углеводородов в дисперсных грунтах заключается в том, что они могут быть использованы при разработке промышленных методов очистки грунтов от этих загрязнений.

Автором лично проведено более 150 лабораторных экспериментов по изучению электрохимической миграции ионов металлов и углеводородов в дисперсных грунтах с различным составом и свойствами, а также выполнена обработка, анализ и обобщение полученных результатов.

Основные положения диссертации были доложены на 30-ом Международном геологическом конгрессе (Beijing, China, 1996); Всеросийской научно-технической конференции «Экология и геофизика» (Дубна, 1995); 1-ой научно-практической конференции «Проблемы охраны геологической среды» (Минск, 1995); Научной конференции «Новые идеи в инженерной геологии» (Москва, 1996); Международном симпозиуме «Инженерная геология и окружающая среда» (Афины, Греция, 1997); Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 1997); «Третьей конференции по геохимии» (Александрия, Египет, 1997); Всероссийской

конференции «Вопросы региональной геоэкологии» (Вологда, 1997); Научной конференции «Ломоносовские чтения», (Москва, 1997); Международной практической конференции «Инженерно-геологическое обеспечение недропользования и охраны окружающей среды» (Пермь, 1997); Международной конференции «Экологическая геология и рациональное недропользование. Становление научного направления и образование» (Санкт-Петербург, 1997); Международной конференци «Генезис и модели формирования свойств грунтов» (Москва, 1998); Научных чтениях имени В.Д. Ломтадзе (Санкт-Петербург, 1997); Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-1998» (Москва, 1998); Международной конференции по физической и коллоидной химии (Москва, 1998), а также в летней научной школе «Электродиалитическое удаление тяжелых металлов из загрязненых грунтов» (Лингби, Дания, 1998) и 3 аспирантских семинарах кафедры Инженерной и экологической геологии. По теме диссертации автором были опубликованы монография, 4 научные статьи и 21 тезис докладов.

Исследования проводились в лаборатор