Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Магнийсодержащие мелиоранты из горнопромышленных отходов для восстановления дефолиирующих лесов

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Магнийсодержащие мелиоранты из горнопромышленных отходов для восстановления дефолиирующих лесов"

ОБЯЗАТЕЛЬНЫЙ БЕСПЛАТНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

иШй^

МАНАКОВА Нацежда Кимовна

МАГНИЙСОДЕРЖАЩИЕ МЕЛИОРАНТЫ ИЗ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕФОЛИИРУЮЩИХЛЕСОВ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соисканиеученой степени кандидата техническихнаук

Апатиты 2005

Работа выполнена в Институте химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева Кольского научного центра Российской академии наук

Научныйруководитель:

доктор технических наук, профессор Макаров Виктор Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Переверзев Владимир Николаевич

кандидат технических наук Мельник Наталья Александровна

Ведущее предприятие:

Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН

Защита состоится «_»_2005 г. в_часов на

заседании диссертационного совета Д 002.105.01 при Институте химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН по адресу: 184209, Апатиты Мурманской обл., Ферсмана, 26а, Академгородок.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ

РАН

Автореферат разослан «_»

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Громов П. Б.

Актуальность работы

«Кислотные» дожди могут приводить к значительным изменениям свойств почв лесных биогеоценозов. Под их воздействием повышается кислотность, происходит снижение запасов элементов минерального питания (катионов кальция, магния, марганца и других) и замещение в почвенном поглощающем комплексе этих элементов ионами водорода, катионами тяжелых металлов. Из-за дисбаланса в поглощении элементов питания растениями леса подвержены дефолиации.

Действенным способом сохранения и восстановления поврежденных территорий может быть оптимизация питательного режима почв путем внесения в них безвозвратно утраченных экосистемами элементов питания. Традиционные удобрения имеют ряд недостатков: они дороги, могут сами оказать негативный эффект, некоторые из них быстро вымываются из почвы.

Актуальной задачей является поиск и разработка нетрадиционных мелиорантов, позволяющих оптимизировать функционирование природных экосистем в индустриально перегруженных регионах и отличающихся доступностью и пролонгированным действием. В качестве сырья для получения таких материалов могут быть использованы отходы горнопромышленных предприятий, содержащие силикаты и гидросиликаты магния.

Цель работы - разработка научных основ получения магниевых мелиорантов из горнопромышленных отходов и оценка эффективности их применения в лесных биогеоценозах.

Основные задачи

• Обоснование выбора горнопромышленных отходов в качестве сырья для получения магниевых мелиорантов.

• Разработка технологии получения щелочного магниевого мелиоранта из оливинсодержащего сырья.

• Проверка эффективности действия мелиорантов, полученных из оливинсодержащих и серпентинсодержащих горнопромышленных отходов на лабораторных моделях и в полевых условиях.

Научная новизна. Разработаны научные основы технологии получения щелочного магниевого мелиоранта из оливинсодержащих горнопромышленных отходов:

• Изучены условия и установлены оптимальные параметры кислотного вскрытия оливина, входящего в состав горнопромышленных отходов;

• Выявлено, что наряду со вскрытием оливина наблюдается обратный процесс - синтез гидросиликатов магния, в результате чего значительная часть магния может связываться в трудноусваиваемое растениями соединение. Использование затравки в виде аморфного кремнезема позволяет избежать обратного процесса и полностью перевести магний из твердого продукта в раствор.

• Установлены параметры нейтрализации магнийсодержащего раствора и получения щелочного магниевого мелиоранта, содержащего элементы питания в легкоусваиваемой растениями форме.

Практическая ценность. Предложена технологическая схема переработки горнопромышленных отходов, содержащих безводные силикаты магния в магниевый мелиорант.

Получены мелиоранты из серпентинсодержащих и оливинсодержащих горнопромышленных отходов с содержанием магния от 20 до 40%, низким содержанием балластных веществ и обладающие щелочной реакцией.

Проверена эффективность действия мелиорантов в полевых условиях. Показана перспективность их использования для восстановления дефолиирующих лесов, находящихся на территориях, непосредственно прилегающих к зоне действия комбинатов «Североникель» и «Печенганикель».

Основные положения, выносимые на защиту

1. Обоснование возможности использования магнийсодержащих горнопромышленных отходов Кольского полуострова в качестве сырья для получения магниевых мелиорантов.

2. Технологическая схема получения магниевого мелиоранта из оливинсодержащего сырья.

3. Результаты испытаний мелиорантов на основе серпентинсодержащих и оливинсодержащих гонопромышленных отходов в природных условиях.

Апробация работы Основное содержание работы докладывалось на следующих республиканских и международных совещаниях и конференциях:

Политехническом симпозиуме «Молодые ученые - промышленности СевероЗападного региона» - конференции «Охрана окружающей среды».- СП6ТТУ, 2001 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Наука и образование». - Мурманск, МГТУ, 2002, 2004; Международной конференции «Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения». - Архангельск, 2002; Школе экологической геологии и рационального недропользования. - Санкт-Петербург, СПбГУ, 2002,2004; Молодежной конференции, посвященной памяти К.О. Кратца «Геология, петрология и геохронология, экология».- Апатиты, 2002; VII международной конференции «Экология и развитие Северо-запада России». - Санкт-Петербург-Ладога-Онега, 2002; Школе молодых ученых «Сбалансированное природопользование на примере освоения минеральных ресурсов». - Апатиты, 2004.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 23 статьях и тезисах докладов. По результатам работы получен 1 патент.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка цитируемой литературы, приложений. Она изложена на 130 страницах текста, содержит 20 таблиц, 45 рисунков, 5 приложений.

Автор испытывает чувство глубокой благодарности за неоценимую помощь к безвременно ушедшему на заключительном этапе написания работы научному руководителю, д.т.н., профессору Макарову В.Н., сотрудникам Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. ИБ.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 д.б.н. Никонову В.В., д.б.н. Лукиной Н.В. за организацию и проведение испытаний мелиорантов в природных условиях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ_

Во введении рассмотрены научный, экологический и технологический аспекты реабилитации дефолиирующих лесов, сформулированы цели и задачи исследования, показана практическая значимость работы и обоснована ее актуальность.

В первой главе приведены литературные данные, отражающие основные направления исследований по восстановлению нарушенных лесных территорий. Проанализированы работы, посвященные изучению применения классических удобрений в качестве мелиорантов, а также способам получения магнийсодержащих мелиорантов и удобрений.

2. Материалы и методы исследований

2.1 Сырьевые источники дляполучениямелиорантов

В качестве объекта исследований в данной работе были выбраны:

- оливиниты Хабозерского месторождения состава, мас.%: MgO 40.15 - 41.83; Si02 37.80 - 38.67; ТЮ2 0.10 - 0.18; А120з 0.30 - 0.60; FeA 3.40 - 5.83; FeO 7.03 -,9.31; MnO 0.18 - 023; CrA 0.09 - 0.17; Na20 0.03 - 0.23; K20 0.02 - 0.21;

- хвосты обогащения вермикулиговых руд состава, мас.%: MgO 25.61- 34.32; Si02 33.51 - 35.34; Р205 4.52 - 5.62; FeA 1.08 - 5.81; FeO 3.36 - 425; СаО 14,04 -15.63; MnO 0.12 - 023; К20 0.08 - 0.12; Na20 0.01 - 0.26; А1А 0.92; ТЮ2 0.15-0.18;

- душпы Сопчеозерского месторождения состава, мас.%: MgO 36.99 - 38.34; Si02 39.08 - 42.09; А1А 1-53 - 2.25; FeA 2.05 - 3.56; FeO 6.71 - 7.50; СаО 1.87 - 2.18; Cr203

Основными материалами, которые использовались в качестве

- доломит, имеющий состав, мас.%: MgO 17.03 - 21.72; СаО 26,61 -30.32; MnO 0.25 - 0.57; С02 39.05 - 40.10; Si02 6.73 - 7.05; Fe203 0.53 - 0.62; А1203 0.74

- сунгулит состава, мас.%: MgO 24.85 - 37,80; Si02 30.90 - 42.78; ТА 0.06 - 0.79; А1А 2.14 - 9.50; FeA 2.3 - 8.2; MnO 0.06 - 0.25; СаО 0.79 - 7.45; Н20 9.08 -12.58;

- магнезит состава мас.%: MgO 34.06 - 42.56; СаО 4,90 - 6,15; МпО 0,32 -

2.2Методы исследований

В работе использован комплекс методов, широко применяемый при исследовании состава и технологических свойств минерального сырья и продуктов на его основе, включающий гранулометрический, минералогический, рентгенографический, радиологический, дифференциално -термический, химические методы анализа.

Оливинсодержащее сырье обрабатывали 25 - 40% серной кислотой для выщелачивания магния в раствор. Температуру варьировали от 20°С до 80°С, время обработки - от 1 часов до 3 суток.

После завершения эксперимента твердый остаток промывали дистиллированной водой и сушили. Полученный продукт классифицировали по крупности. При этом основная масса новообразований концентрировалась в классе -0.05 мм, а в крупных классах - непрореагировавшие зерна минералов. Крупные классы анализировали минералогическими методами: определяли содержания исходных минералов - оливина, пироксенов, вермикулита и апатита. Тонкодисперсный продукт дополнительно анализировали рентгенометрически на дифрактометре ДРОН-2, а также на лабораторном электронном измерителе удельной поверхности и пористости FLOWSORB II 2300. С помощью растрового микроскопа «Hitachi» получены электронные фотографии мелкодисперсных образцов.

Магнийсодержащие растворы анализировали химически на содержание кальция, магния и железа.

3. Изучение возможности получения магниевого мелиоранта из безводных силикатов магния

3.JВзаимодействие оливинсодержащего сырья с соляной кислотой

Для кислотной активации оливина изначально предполагалось использовать соляную кислоту, т.к. соединений серы в почвах Кольского полуострова достаточно. Во избежание сохранения в конечном продукте не прореагировавшей кислоты и образования кислых солей, ее количество бралось существенно меньше стехиометрического (0.1-0.15 от последнего).

Для получения мелиоранта в исходное оливинсодержащее сырье добавляли соляную кислоту (35%) и интенсивно перемешивали в фарфоровой мельнице до тех пор, пока продукт не приобретал твердую консистенцию в виде гранул. Необходимым условием является нейтральная или слабощелочная реакция водной вытяжки продукта, однако во всех опытах она оставалась кислой (рН от 3.15 до 4.8 в зависимости от расхода кислоты и состава исходного оливинового

сырья), что свидетельствовало о присутствии кислых солей и/или остатков непрореагировавшей кислоты.

Исходя из вышеизложенных результатов исследования, можно сделать вывод, что применение соляной кислоты для получения мелиоранта не оправдывает себя.

3.2. Влияние температуры и времени выдержки на полноту и селективность процесса вскрытия оливинсодержаищх продуктов серной кислотой

Ранее Алтаевым ША и др. была предложена технология переработки бедных хромовых руд серной кислотой. Сущность рекомендованного процесса заключается в разложении содержащегося в сырье оливина серной кислотой. Образующийся при этом кремнегель остается в конечном продукте:

М^БЮ« + Н2804 + пН20 =2М£804-7Н20 +23Ю2- (п-5)Н20

При этом наряду с сульфатами образуются кислые соли - бисульфаты магния: М£Б04 + Н2804 = М§(Н304)2

Конечный продукт характеризуется устойчивой кислой реакцией. Его нейтрализация приводит к дальнейшему синтезу гидросиликатов магния и переводу значительной части магния в недоступную для растений форму.

Для получения качественного мелиоранта необходимо после вскрытия оливина отделить раствор от устойчивых к кислоте минералов и кремнезема, очистить раствор от остатков кислоты и солей железа и выделить содержащийся в растворе магний в виде трудно растворимой в воде основной соли.

Для оценки степени влияния температуры на скорость и полноту вскрытия оливина, входящего в состав хвостов обогащения была поставлена серия опытов, в которых использовали серную кислоту концентрацией (25 - 40 %), а время обработки варьировалось от 1 до 72 часов. Установлено, что при комнатной температуре процесс протекает медленно: даже при максимальной выдержке около половины оливина остается невскрытым. При повышении температуры процесс вскрытия оливина существенно ускоряется: при 80°С за 6 часов оливин вскрывается практически полностью (около 90 %, рисунок 1).

С увеличением времени обработки и степени вскрытия оливина количество перешедшего в раствор магния возрастает (таблица 1).

О 20 40 60 80

Время обработки, часы

Рисунок 1. Кинетические кривые зависимости степени вскрытия оливина от времени обработки образцов при температуре: 1 - 20; 2 - 40; 3 - 60; 4 -80 °С. Концентрация кислоты 40%

Таблица 1

Количество MgO, перешедшего в раствор

Время выдержки, часы Концентрации MgO, г/л

температура обработки, °С

20 40 60 80

1 - - - 26.1

3 3.5 - 35.3 69.0

6 - - 63.0 84.0

24 18,0 68.6 83.9 86.0

48 29.6 82.5 86.0 -

72 40.8 86.3 86.1 -

С повышением температуры наряду со вскрытием оливина возрастает скорость обратной реакции - синтеза гидросиликатов магния слоистой структуры типа серпентина-септохлорита с С5/и/?= 119.38+0.12А (толщина слоя равна 16 элементарным серпентиноподобным слоям по 7.461 А).

1\^28Ю4 + 4 Н+ + (п-2)Н20 = 2 М£2+ + БЮ2 пН20 (1) 6 М§2+ + 4 8Ю2 пН20 = М&^ОВДБЦОю] + 4(п -1) Н20 (2)

При этом связывается значительная часть извлеченного в раствор магния. Извлечение магния в раствор даже при 80°С не превышает 85 - 87%. Для повышения извлечения магния в раствор было необходимо снизить химическую активность кремнезема путем его коагуляции, а процесс нейтрализации проводить после отделения раствора от кремнезема.

3.3 Определение условий отделения активного кремнезема от магнийсодержащегораствора

Как показано в работах Захарова В.И. и сотрудников, коагуляция кремнезема значительно ускоряется в присутствии специально введенных частиц аморфного 8Ю2, играющих роль зародыша. С целью ускорения коагуляции кремнезема во всех последующих экспериментах в реакционный сосуд, содержащий раствор серной кислоты добавлялась затравка в виде аморфного 8Ю2, полученного из вермикулита, нефелина и сунгулита. Эксперименты проводили при интенсивном перемешивании. Оливинсодержаший исходный материал дозированно вводили в реакционный сосуд, содержащий раствор серной кислоты и затравку. Растворы фильтровали в горячем виде для снижения кристаллизации сульфата магния. После завершения эксперимента твердый остаток промывали горячей (80°С) дистиллированной водой для растворения кристаллизовавшегося сульфата магния.

В результате исследований выяснилось, добавление затравки в количестве 10 - 15% позволяет достичь практически 100% вскрытия оливина 25 - 30%-ной кислотой и получить легко фильтруемые растворы. При добавлении затравки извлечение магния в раствор удается поднять до 98 - 99 % (рисунок 2). При этом максимальный эффект получен при использовании затравки на основе нефелина, хвостов обогащения вермикулитовых руд и вермикулита.

Если новообразованные тонкодисперсные фазы в опытах без затравки показали четкую диффракционную картину, соответствующую серпентиновым минералам, то в экспериментах с затравкой новообразованные тонкодисперсные фазы представлены рентгеноаморфным кремнеземом (рисунок 3).

Следовательно, затравка не только обеспечивает коагуляцию кремнезема, облегчает процесс фильтрования, но и препятствует протеканию обратных реакций.

Получаемый аморфный кремнезем содержит минимальное количество примесей и может найти широкое применение в производстве катализаторов, как наполнитель некоторых сортов резины и пластмасс, для получения жидкого стекла.

Рисунок 2. Зависимость извлечения магния в раствор от количества затравки в виде аморфного кремнезема, полученной из 1 - нефелина; 2 - вермикулита; 3 -сунгулита, 4-вермикулитовыххвостов. Концентрация кислоты 25%

Рисунок 3. Рентгенограмма образца кремнеземсодержащего осадка, полученного при вскрытии оливина без добавления затравки (а) и с добавлением затравки в виде аморфного 8Ю2 (Ь)

3.4Изучение процесса нейтрализации магнийсодержащего раствора и получение мелиоранта, обладающего щелочнойреакцией

Фильтрат после отделения кремнекислоты, кроме соли магния, содержал остатки не прореагировавшей кислоты и сернокислые соли железа. Для получения высококачественного мелиоранта было необходимо нейтрализовать раствор и отделить железо в виде гидроксидов. В качестве реагентов -нейтрализаторов были использованы частично обожженные доломит, магнезит и термоактивированный сунгулит. Так как указанные продукты содержат от 20 до 42% оксида магния в результате нейтрализации не только удаляется лишнее железо, но и происходит обогащение раствора оксидом магния. При использовании необожженного доломита реакция протекает медленно и нейтрализация происходит не полностью. В раствор наряду с магнием переходит кальций, который выпадает в виде гипса.

Количество доломита на нейтрализацию брали, исходя из необходимого для повышения рН раствора до 7, но так, чтобы оно не превышало эту величину более чем на 0.5. При таких значениях рН гидроксиды железа осаждаются практически полностью, а образование основных сульфатов магния и выпадение их в осадок не происходит:

Н2804 + М§0 = N^04 + Н20 (3)

Ре804 + MgO + Н20 = М|304 + Ре(ОН)2 (4) 2Ре(ОН)2 + 1/202—> 2РеООН + Н20 (5)

В связи с тем, что при термообработке неизбежно разлагается какое-то количество карбоната кальция, в осадок выпадают не только гидроксиды железа, но и гипс. Полученный раствор хорошо фильтруется. Отделенный и промытый осадок, состоящий из гидроксидов железа и гипса может использоваться в производстве строительных изделий.

После отделения осадка очищенный раствор дополнительно обрабатывался частично обожженным доломитом для связывания растворенного сульфата магния в трудно растворимую основную соль:

М§Б04 + М§0 + Н20 = М&(0Н)2504 (6)

Как известно, в данной соли количество Mg(OH)2 может колебаться от 1 до 3 молей М^О на 1 молекулу М§804. Чем больше эта величина, тем выше содержание MgO в основной соли. Следует отметить, что частично обожженный доломит является источником Мп, в котором также нуждаются дефолиирующие леса. Полученный продукт подвергается сушке и грануляции. На рисунке 4 предложена принципиальная технологическая схема получения магниевого мелиоранта на основе оливинсодержащего сырья.

Хвосты обогащения вермикулитовых руд 1000 кг(фр.+0.125- Змм) 25%H2SQ4 (3500 л) аморфный SiQ2 (100 кг)

Z

Разложение олйвинсодержащего продукта, коагуляция Si02

Вода

10000 л

Фильтрация, отделение нерастворимого осадка и Si02 Промывная вода

Магнийсодешкащий раствор! \амофный Si02

Частично

обожженный

доломит

800- 1200 кг

Нейтрализация магнийсодержащего раствора, отделение гидроксидов железа

Получение готового продукта, сушка, грануляция

невскрытые минералог

100 кг гидроксиды

железа -:-►

100-200 кг

2000 кг

Рисунок 4. Принципиальная технологическая схема получениямагниевого мелиоранта (на 1000кгсухиххвостовобогащениявермикулитовыхруд).

Состав мелиоранта, получаемого при использовании в качестве нейтрализующего реагента доломита, следующий, мае. %: 20.0 - 27.0 MgO, 14.0

- 20.0 СаО и 0.2 - 0.3 МпО, 1.0 - 2.5 FeO, 2.28 - 3.67 Fe203,0.02 - 0.06 Na20, 0.03

- 0.06 К А Si02 3.78 - 7.00, Р205 0.70 - 0.80, S04 20.03 - 30.04, А1203<0.1, Ni<0.025, Cu<0.005, Cs20<0.006, Cr203<0.0015. Все компоненты присутствуют

в трудно растворимой в воде форме, но легко извлекаются в раствор слабыми органическими кислотами - т.е. доступны растениям, но не вымываются дождями, т.е. мелиорант обладает пролонгированным действием.

Использование магнезита в качестве нейтрализующего агента позволяет получить мелиорант с более высоким содержанием магния - до 40 мас.%. Однако, с практической точки зрения, использование магнезита менее целесообразно из-за малодоступности и дороговизны этого компонента. Сунгулит входит в состав горнопромышленных отходов местных предприятий и может быть также использован в качестве нейтрализатора.

Магниевый мелиорант, полученный при использовании в качестве нейтрализующего реагента термоактивированного сунгулита, имеет следующий

состав, мас.%: MgO 20.80 - 30.70, СаО 5.25 - 7.07, МпО 0.04 - 0.07, FeA 3.10 - 9.87, А120з 5.41 - 6.4, РА, 1.31 - 2.10, Si02 5.70 - 27.30, К20 0.10 - 0.30, Na20 0.02 - 0.05,

4. Лабораторные исследования эффективности влияния полученных мелиорантов на содержание питательных веществ в почве

Ранее Макаровым В.Н. и сотрудниками была предложена технология получения мелиоранта на основе термически активированного сунгулита. Предполагалось, что мелиорант обладает способностью сорбировать на себя медь и никель, мягко снижать кислотность почв и восполнять дефицит магния.

С целью оценки эффективности взаимодействия термоактивированного серпентинового продукта и мелиоранта, полученного на основе оливинсодержащего сырья с органическими кислотами, присутствующими в почве были проведены специальные опыты. Для проверки действия мелиоранта осуществлялось моделирование «кислотных дождей». В сосуды поместили образцы почв отобранных из трех слоев:

1. Аккумулятивного - горизонта подстилки Ао. Это органогенный слой, в котором консервируется мертвое органическое вещество биогеоценоза, а также происходит аккумулятивно-гумусовое закрепление элементов - биофилов и образование агрессивного, хорошо водорастворимого фульватного гумуса;

2. Элювиального - верхней части минерального профиля, включающей горизонт А2. Это слой, фиксируемой «агрессии» фульватного гумуса, интенсивного фронтального элювиирования (пропускания питательных веществ) в» результате кислотного гидролиза и наличия вследствие этого осветленной мелкозернистой фракции;

3. Al-Fe-гумусового или иллювиально-гумусового алюмо-железистого, располагающегося непосредственно под элювиальным или органогенным слоем. Это слой закрепления продуктов распада. Высота каждого слоя 10 см.

Мелиорант на основе термоактивированного при 640°С в течение 15 минут сунгулита вносили в отобранные пробы почв из расчета 4т/га, мелиорант на основе оливинсодержащего сырья - 2 т/га. Искусственные «кислотные» осадки имели рН 4.56, что соответствует среднему показателю кислотных дождей в зоне влияния комбината «Североникель». Кислотность создавали за счет введения в раствор, имитирующий «кислотный дождь» серной кислоты, а также добавок сульфатов меди, никеля, кальция и магния. Разовый полив соответствовал 1/20 годовой нормы и составлял 370 мл раствора Полив осуществлялся ежедневно.

При применении мелиорантов, в почвенных растворах слоев Ао и Аз снижается содержание А1, N1, Си, существенно возрастает величина рН и количество растворенных питательных элементов, в первую очередь - оксида магния.

Проведенные эксперименты по иммитации «кислотных» дождей показали, что внесение мелиоранта на основе термоактивированного сунгулита и мелиоранта, полученного из оливинсодержащего сырья (хвостов обогащения вермикулитовых руд) с помощью сернокислотной обработки способствовало обогащению почв доступными для растений подвижными соединениями и, в первую очередь, соединениями магния, которые активно выщелачиваются из почв в условиях загрязнения. Применение мелиорантов позволяет регулировать кислотность почв. В связи с вышеуказанными проведенными лабораторными исследованиями мелиоранты были рекомендованы к испытаниям в природные условиях.

5. Натурные испытания магниевых мелиорантов

Доя проверки эффективности действия мелиорантов предназначенных для оптимизации питательного режима почв дефолиирующих лесов, загрязненых выбросами комбината «Североникель» были изготовлены опытные партии мелиоранта на основе термоактивированного сунгулита и мелиоранта на основе оливинсодержащего сырья в количестве 30 и 20 кг соответственно. Мелиорант из оливинсодержащего сырья вносили в почву опытных участков Мончегорского района в количестве 0.5 т/га и 2 т/га, на основе термоактивированного сунгулита - 4 т/га.

В ходе экспериментов оценивались такие параметры, как кислотность и емкость катионного обмена почв, доступность для растений соединений элементов в почвах, состав почвенных вод, а также питательный режим деревьев. В таблицах 2 - 6 приведены основные показатели и количества питательных элементов до и после внесения мелиорантов.

На основании проведенных экспериментов были выявлены следующие показатели поведения мелиоранта в почве. После внесения в качестве мелиоранта термоактивированного сунгулита в почву увеличились рН водной вытяжки и гидролитическая кислотность, а обменная кислотность снизилась. Количество обменных А1 и Н уменьшилось (таблица 2). После внесения мелиоранта на основе оливинсодержащего сырья в полкроновой парцелле рН водной вытяжки увеличилась с

3.81 до 4.60, обменная кислотность снизилась. В межкроновой парцелле рН водной вытяжки увеличилась, а гидролитическая кислотность, обменная кислотность и количество обменных А1 и Н уменьшились (таблица 2).

Таблица 2

Показатели кислотности водной вытяжки почвы органогенного горизонта до и после внесения мелиоранта

Показатели Единицы измерения Подкроновая парцелла Межкроновая парцелла

контроль количество мелиоранта, т/га контроль количество мелиоранта, т/га

сунгу-лит 4 оливин 0.5 оливин 2 оливин 0.5 оливин 2

Гидролитическая кислотность мг/экв на 100г почвы 156.8 185.5 175.9 157.2 144.0 141.8 149.2

Обменная кислотность -«- 16.4 9.8 16.9 9.5 10.4 5.8 12.1

Обменный А1 -«- 10.4 6.6 10.5 5.9 6.1 2.1 8.2

Обменный Н -«- 6.1 3.3 6.4 3.6 4.2 3.7 3.9

рН водной вытяжки ед.рН 3.81 3.83 4.30 4.20 4.22 4.34 4.49

В почвенном слое содержание магния увеличилось в полкроновой парцелле почти втрое, в межкроновой - практически не изменилось. Количество кальция увеличилось только в межкроновой парцелле. Снижения алюминия в почвенном слое не наблюдалось, несмотря на то, что количество обменного алюминия уменьшилось. Количество никеля по сравнению с контролем снизилось (таблица 3).

Сунгулит способствует иммобилизации никеля, причем наиболее существенное снижение этого компонента происходит в лизиметрических водах (рис. 5).

Рисунок 5. Содержание магния (а) и никеля (б) относительно контрольного опыта в почве подкроновой (1), межкроновой (2) парцелл и почвенныхрастворах (3) при внесении впочву доломита и термоактивированного сунгулита.

Таблица 3

Изменение содержания основных питательных элементов в почвенном слое в доступной для растений форме до и после внесения мелиоранта на основе термоактивированного сунгулита, мг/кг

Элементы Подкроновая парцелла

контроль ДОЛОМИТ сунгулит

Са 2538.1 4628.4 1912.4

278.7 1991.5 821.6

К 559.3 671.7 236.1

Мп 389.1 124.2 52.5

7п 21.3 30.3 9.5

N1 158.3 106.4 76.0

Си 381.0 239.9 498.1

В почвенных растворах после внесения термоактивированного сунгулита содержание основных питательных элементов увеличилось (таблица 4).

Таблица 4

Изменение содержаний основных питательных элементов в почвенных растворах до и после внесения мелиоранта, мг/л

Показатели Контроль Вид мелиоранта

доломит сунгулит

Са 142.0 194.4 514.8 625.0

50.8 80.8 560.6 416.7

К 28.2 110.5 246.3 223.5

№ 34.4 36.1 108.9 109.8

Мп 4.4 26.9 6.5 18.5

2п 0.63 1.0 1.3 6.7

N1 6.9 - 6.9 0.5

Примечание: доломит приведен для сравнения.

В целом выявленные тенденции состава и свойств жидкой почвенной фазы можно охарактеризовать как благоприятные с точки зрения формирования оптимального для живых организмов питательного режима. Снизилась кислотность почвенных вод и увеличилась их кислотонейтрализующая способность. Возросли концентрации водорастворимых соединений элементов питания, наиболее доступных для растений и микроорганизмов.

В образцах хвои, отобранной на контрольном участке, содержание магния уменьшается с увеличением возраста хвои, что является причиной дефолиации. После внесения мелиоранта прослеживается динамика роста содержания магния в хвое разного возраста, причем наибольшее возрастание происходит в хвое 6-9 лет (рисунок 6).

Эти данные свидетельствуют о том, что мелиорант способствует улучшению питательного режима растений.

Рисунок 6. Содержание магния в хвое ели разного возраста в контрольном опыте (кривая) и его изменение относительно контрольного опыта при внесении в почву доломита (1) и термоактивированного сунгулита (2) (гистограмма).

В почвенном слое увеличилось количество кальция в 1.5-2 раза, магния в 3 - 5 раз, калия в 1.5, марганца в 1.5, а алюминия, никеля и меди - уменьшилось как в подкроновой, так и в межкроновой парцеллах (таблица 5)

Анализ лизиметрических вод показал, что содержание основных питательных элементов (кальция, магния, марганца) в почвенных растворах после внесения мелиоранта увеличилось в несколько раз (таблица 6).

Таблица 5

Изменение содержания основных питательных элементов в почвенном слое в доступной для растений форме до и после внесения мелиоранта на основе оливинсодержащего сырья, мг/кг

Элементы питания Межкроновая парцелла Подкроновая парцелла

контроль количество мелиоранта, т/га контроль количество мелиоранта, т/га

0.5 2 0.5 2

Са 885.0 811.3 1681.4 572.1 760.6 714.7

Мё 113.0 427.5 549.2 66.8 139.2 633.5

К 288.2 281.6 369.8 174.4 170.4 138.8

Мп 101.8 107.0 169.9 34.8 65.0 15.1

№ 7.7 11.1 10.2 18.1 23.3 15.7

А1 83.1 84.3 43.9 92.8 44.0 43.9

а 11.8 10.2 15.9 7.5 5.5 4.6

N1 54.6 66.5 66.0 65.5 49.5 49.4

Си 120.7 46.7 43.4 212.7 63.7 144.6

Таблица б

Изменение содержаний основных питательных элементов в почвенных растворах до и после внесения мелиоранта на основе оливинсодержащего сырья, мг/л

Показатели Контроль Количество мелиоранта, т/га

0.5 2

рН 3.4 3.6 3.6

Са 4.2 5.4 55.0

Мё 1.0 8.5 54.4

К 6.7 11.1 13.9

№ 2.5 4.7 7.3

А1 0.6 0.8 1.6

Мп 0.2 0.5 1.8

7п 0.03 0.05 0.2

На рисунке 7 показано содержание магния на контрольных и опытных участках, использованных для определения эффективности термоактивированного сунгулита и магниевого мелиоранта на основе оливинсодержащего сырья (площадки 1 и 2

соответственно). В почве площадки 2 содержание магния в 4.5 раз меньше, а в почвенном растворе - 50 раз меньше, чем в соответствующих составляющих площадки 1.

Внесение мелиорантов позволяет увеличить концентрацию Mg в почвенных растворах на площадке 2 до 54 мг/кг, т.е. до контрольного уровня 1 площадки. Если содержания Mg в почве после внесения мелиорантов сопоставимы, то концентрация Mg в лизиметрических водах площадки 1 в 8 раз больше, чем площадки 2.

Рисунок 7. Сопоставление содержания магния в почве (1,2) и почвенных растворах (3,4) контрольных (1, 3) и опытных (2, 4) участков на различных экспериментальных площадках.

Предварительные опытно-промышленные испытания показали, что получаемые магниевые мелиоранты способствуют частичной иммобилизации соединений алюминия, снижению содержания меди и никеля, обладают способностью мягко снижать кислотность почвы, а так же обогащают ее дефицитными элементами питания растений - магнием, кальцием, марганцем. Мелиоранты, на основе безводных силикатов получают в виде гранул, что способствует меньшему пылению продукта. Благодаря тому, что в качестве сырья для получения мелиоранта используются широко распространенные горнопромышленные отходы, они характеризуются относительно небольшой себестоимостью.

выводы

1. С целью установления пригодности использования оливинсодержащих горнопромышленных отходов Кольского полуострова в качестве возможного сырья для получения магниевого мелиоранта были исследованы: хвосты обогащения вермикулитовых руд, оливиниты Хабозерского месторождения, дуниты Сопчеозерского месторождения. Выявлено, что наиболее перспективным сырьем для указанной цели следует считать хвосты обогащения вермикулитовых руд.

2. Установлено, что при обработке 25 - 30% серной кислотой оливинсодержащего сырья при температуре 80°С в течение 6 часов оливин вскрывается полностью. Однако наряду со вскрытием оливина наблюдается обратный процесс - синтез гидросиликатов магния и значительная часть магния связывается в трудноусваевамое растениями соединение. Добавление аморфного кремнезема в качестве затравки и соблюдение дробной дозированной подачи сырья в реакционный сосуд позволяют избежать обратного процесса - синтеза гидросиликатов магния и осуществить полный переход магния из твердого продукта в раствор.

3. Показано, что применение обожженного при 800°С доломита или термоактивированного сунгулита в качестве нейтрализующих реагентов позволяет нейтрализовать магнийсодержащий раствор и отделить железо, которое является балластным веществом. Доломит и сунгулит дополнительно вносят в продукт магний и кальций, улучшая свойства мелиоранта.

4. Добавление обожженного доломита или термоактивированного сунгулита к нейтрализованному магнийсодержащему раствору при соотношении ^804 в растворе и МО в доломите от 1:1 до 1:3 позволяет получить мелиорант, обладающий щелочной реакцией (рН 8 - 9), содержащий в своем составе от 20 до 27% оксида магния и с незначительным содержанием балластных веществ. В состав мелиоранта входит основная соль М^ОН^О^, которая трудно растворима в воде, но хорошо растворяется в слабых органических почвенных кислотах, а значит находится в доступной для растений форме.

5. Предложена принципиальная технологическая схема получения магниевого мелиоранта из оливинсодержащего сырья. На основе отходов горнопромышленных предприятий - силикатов (хвостов обогащения вермикулитовых руд) и гидросиликатов магния (термоактивированного сунгулита) были наработаны опытные партии мелиорантов для проведения натурных испытаний.

6. Проведены испытания мелиорантов в лабораторных условиях и на природных объектах в районе г. Мончегорска, наиболее подверженном влиянию кислотных дождей. Показано, что они обеспечивают:

- восполнение дифицита утраченных элементов питания;

-пролонгированное и мягкое действие благодаря медленному

высвобождению элементов питания, которые поглощаются микроорганизмами и растениями и не выносятся в грунтовые и поверхностные воды;

- частичную иммобилизацию соединений алюминия и тяжелых металлов.

7. Рекомендуемый расход мелиорантов не превышает 4 т/га (в случае термоактивированного сунгулита) и 2 т/га (в случае применения мелиоранта из оливинсодержащего сырья). По предварительным подсчетам максимальная себестоимость при производстве 100 тыс. тонн в год 450 - 900 рублей за тонну. Экономическая эффективность от восстановления 100 га поврежденной территории составляет от 300 до 400 тыс. руб.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

1. Макаров В.Н., Манакова Н.К. Изучение возможности получения магниевого мелиоранта из хвостов обогащения вермикулитовых руд // Вестник МГТУ. - Мурманск, 2002, том 5, № 2.- С. 267 - 270.

2. Пат. 2206554 РФ МПК6 С 05 D 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. - № 2002111945/12; Заявл. 06.05.2002; Опубл. 20.06.2003, Бюл. № 17.

3. Макаров В.Н., Манакова Н.К. Возможные пути утилизации хвостов обогащения комплексных руд Ковдорского месторождения. Деп. в ВИНИТИ 15.07.2002, №1336-В2002.

4. Манакова Н.К., Макаров В.Н., Т.Н. Васильева, А.Т. Беляевский. Оптимизация процесса вскрытия оливина для получения магниевого мелиорнта //ЖПХ. 2003. Т.76. Вып.2. - С. 181 -184.

5. Макаров В.Н., Манакова Н.К. Хвосты обогащения вермикулитотвых руд как сырье для получения магниевого мелиоранта // Тез. 3-ой Всероссийской научно-технической конференции. Новые химические технологии: производство и применение. Пенза, 2001. - С. 91 - 93.

6. Манакова Н.К., Макаров В.Н. Возможность получения магниевого мелиоранта // Северо-Западного региона» материалы конференции «Охрана окружающей среды» (7 декабря 2001 г.). СПбГТУ,- С. 46.

7. Манакова Н.К., Макаров В.Н. Получение магниевого мелиоранта из оливинсодержащих горнопромышленных отходов // Школа экологической

геологии и рационального недропользования. СпбГУ, Санкт-Петербург, 2002.-С.272 - 274.

8. Макаров В.Н., Манакова Н.К. Оптимизация процесса вскрытия оливина для получения магниевого мелиоранта // Роль минералогических исследований в решении экологических проблем (теория, практика, перспективы развития). Материалы к Годичному собранию ВМО. 28-30 мая 2002, Москва, ИГЕМ РАН, ВИМС, 2002. - С. 118 -119.

9. Макаров В.Н., Манакова Н.К. Магниевый мелиорант из горнопромышленных отходов // Материалы всероссийской научно-технической конференции «Наука и образование - 2002». МГТУ. - Мурманск, 2002.- С. 608 - 609.

10. Макаров В.Н., Манакова Н.К. Использование горнопромышленных отходов для получения магниевого мелиоранта // Всероссийские научные чтения с международным участием, посвященные 70-летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР М.В. Мохосоева. 27 - 30 июня 2002 г., Улан-Удэ: Тез. докл. - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2002. - С. 149 -150.

11. Манакова Н.К., Макаров В.Н. Магниевый мелиорант для снижения отрицательного воздействия кислотных дождей на хвойные леса// Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения. Материалы международной конференции. Архангельск. 2002. - Т. 1. -С.213-217.

12. Макаров В.Н., Манакова Н.К., Никонов В.В., Лукина Н.В., Васильева Т.Н. Применение магниевых мелиорантов для реабилитации хвойных лесов в условиях воздушного промышленного загрязнения // Сборник научных докладов VII международной конференции "Экология и развитие Северо-запада России". - Санкт-Петербург - Ладога - Онега, 2 - 7 августа 2002. - С. 306 - 310.

13. V.N. Makarov, N.K. Manakova, V.V. Nikonov, N.V. Lukina, E.P. Lokshin. Recovery of defoliating forests in the vicinity of copper-nickel plants using magnésium ameliorants // Ecologic, Toxicologic and Human Health Issues Associated with the Mining, Refining and Production of Nickel and Companion Elements. Sixth International Nickel Conference, Murmansk, Kola Peninsula, Russia, September 1 - 6,2002, P. 107.

14. Макаров В.Н., Манакова Н.К. Агрегирование наночастиц кремния и гидроксида железа при получении магниевого мелиоранта // Кристаллизация в наносистемах. Сборник тезисов международной научной конференции. Иваново, 10-12 сентября 2002. С. 125.

15. Манакова Н.К. Разработка технологии получения магниевого мелиоранта из безводных силикатов магния // Труды Международного Форума по проблемам науки, техники и образования. Том.З./ Под редакцией: В.П. Савиных, В.В. Вишневского.-М.: Академия наук о Земле, 2002. - С. 154.

16. Макаров В.Н., Манакова Н.К., Никонов В.В., Лукина Н.В. Магниевый мелиорант // Тез. 3-ой Всероссийской научно-технической конференции. Новые химические технологии: производство и применение. Пенза, 2003. С. 79 - 82.

17. Возможности сельскохозяйственного применения хвостов обогащения. Строительные и технические материалы из минерального сырья Кольского полуострова/ В.Н. Макаров и др. Ч. 1.- Апатиты: изд. КНЦ РАН, 2003.- с212 - 214.

18. Манакова Н.К. Применение магниевых мелиорантов на основе горнопромышленных отходов для восстановления дефолиирующих лесов. Школа экологической геологии и рационального недропользования Материалы пятой межвузовской молодежной научной конференции. Санкт-Петербург, Россия, 2004. С.239-240.

Автореферат

МАНАКОВА Надежда Кимовна

МАГНИИСОДЕРЖАЩИЕ МЕЛИОРАНТЫ ИЗ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕФОЛИИРУЮЩИХ ЛЕСОВ

Технический редактор ВАГаничев

Лицензия ПД 00801 от 06 октября 2000 г.

Подписано к печати 22.04.2005 Формат бумаги 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Тгтев/СупШс Уч.издл. 1.3. Заказ № 34. Тираж 80 экз.

Ордена Ленина Кольский научный центр им.С.М.Кирова 184209, Апатиты, Мурманская область, ул.Ферсмана, 14

и

' tV¿i« í идлг.г

ч ** у

09 um 2005

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Манакова, Надежда Кимовна

Введение.

1 Аналитический обзор.

1.1 Анализ причин дефолиации лесов.

1.2 Использование традиционных удобрений для 14 восстановления лесов.

1.3 Сырьевые источники для получения 18 мелиорантов.

1.4 Мелиоранты на основе гидросиликатов магния.

1.5 Мелиоранты на основе безводных силикатов и карбонатов магния

2 Материалы и методы исследований.

2.1 Сырьевые источники для получения мелиорантов.

2.2 Методы исследований.

3 Изучение возможности получения магниевого мелиоранта из безводных силикатов магния.

3.1 Исследование взаимодействия соляной кислоты с хвостами обогащения вермикулитовых руд с целью получения магниевого мелиоранта

3.2 Влияние температуры и времени выдержки на полноту и 34 селективность процесса вскрытия оливинсодержащих продуктов серной кислотой.

3.3 Определение условий отделения активного кремнезема от 42 магнийсодержащего раствора.

3.4 Изучение процесса нейтрализации магнийсодержащего раствора и получение мелиоранта, обладающего щелочной реакцией.

4 Лабораторные исследования эффективности влияния полученных мелиорантов на содержание питательных веществ в почве.

5 Натурные испытания мелиорантов.

5.1 Результаты натурных испытаний мелиоранта на основе термоактивированного сунгулита.

5.2 Результаты полевых испытаний мелиоранта, полученного из оливинсодержащего сырья

5.3 Ориентировочный расчет себестоимости мелиорантов.и 101 эффективности их применения.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "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 N^0 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. 2206554 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.— № 2002111945/12; 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.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Манакова, Надежда Кимовна, Апатиты

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 dégradation 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 Bayern -Methodik 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.339523 (СССР), С 04 В 15/02, 21/00. ЛИСИ № 1477148/29-33. Сырьевая смесь для изготовления ячеистого бетона. Боженов П.И., Сальникова B.C., Прокофьева В.В., опубл. Б.И. 1972, N 17.

36. А.с. 455930 (СССР), МКИ С 04 В31/08, 31/02,15/16 ЛИСИ № 1931008/29-33. 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. 617429 (СССР), ЛИСИ № 2413078/29-33. 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. 199442 (СССР), МПК С04 В кл 80 В, 3./04 Заявл 5.07.19651015965/29-14. Способ приготовления минерального вяжущего. Боженов П.И., Сальникова B.C., Прокофьева В.В., опубл. в Б.И.1967, N 15.

47. А.с.339523 (СССР), С 04 В 15/02, 21/00. ЛИСИ № 1477148/29-33. 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 2046785 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. 1392066/РФ, МКИ С 05 D 9/00, / Способ получения комплексного минерального удобрения / Заявка № 4116402/31 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 2151132 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.