RU2784367C1 - Способ создания вертикального и горизонтального геохимического барьера высокой проницаемости и высокой сорбционной способности в отношении тяжелых металлов и радионуклидов (варианты) - Google Patents
Способ создания вертикального и горизонтального геохимического барьера высокой проницаемости и высокой сорбционной способности в отношении тяжелых металлов и радионуклидов (варианты) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2784367C1 RU2784367C1 RU2022117871A RU2022117871A RU2784367C1 RU 2784367 C1 RU2784367 C1 RU 2784367C1 RU 2022117871 A RU2022117871 A RU 2022117871A RU 2022117871 A RU2022117871 A RU 2022117871A RU 2784367 C1 RU2784367 C1 RU 2784367C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sand
- gel
- filtration coefficient
- solution
- radionuclides
- Prior art date
Links
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 22
- 230000035699 permeability Effects 0.000 title description 9
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims abstract description 41
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 25
- 229910000323 aluminium silicate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 235000019353 potassium silicate Nutrition 0.000 claims abstract description 21
- KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000001681 protective Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000010808 liquid waste Substances 0.000 claims abstract description 8
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N silicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 12
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 239000002699 waste material Substances 0.000 abstract description 6
- 230000002633 protecting Effects 0.000 abstract description 4
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 abstract description 3
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 52
- 101700011696 sand Proteins 0.000 description 31
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 30
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N oxalic acid Chemical compound OC(=O)C(O)=O MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 11
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 9
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 239000004848 polyfunctional curative Substances 0.000 description 7
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 7
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 6
- 235000006408 oxalic acid Nutrition 0.000 description 6
- DIZPMCHEQGEION-UHFFFAOYSA-H Aluminium sulfate Chemical compound [Al+3].[Al+3].[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O.[O-]S([O-])(=O)=O DIZPMCHEQGEION-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 5
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N Silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 210000002356 Skeleton Anatomy 0.000 description 5
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 description 5
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N Sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052631 glauconite Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 5
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002585 base Substances 0.000 description 4
- 238000001879 gelation Methods 0.000 description 4
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 239000010791 domestic waste Substances 0.000 description 3
- -1 organics Substances 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 3
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 3
- 231100000614 Poison Toxicity 0.000 description 2
- 229940039790 Sodium Oxalate Drugs 0.000 description 2
- ZNCPFRVNHGOPAG-UHFFFAOYSA-L Sodium oxalate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C(=O)C([O-])=O ZNCPFRVNHGOPAG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 2
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 description 2
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 2
- 238000006068 polycondensation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 239000000941 radioactive substance Substances 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 150000004760 silicates Chemical class 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 239000002352 surface water Substances 0.000 description 2
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 2
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JHLNERQLKQQLRZ-UHFFFAOYSA-N Calcium silicate Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] JHLNERQLKQQLRZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- IYJYQHRNMMNLRH-UHFFFAOYSA-N Sodium aluminate Chemical compound [Na+].O=[Al-]=O IYJYQHRNMMNLRH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000005332 Sorbus domestica Species 0.000 description 1
- FKHIFSZMMVMEQY-UHFFFAOYSA-N Talc Chemical compound [Mg+2].[O-][Si]([O-])=O FKHIFSZMMVMEQY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CTVOIPHTLWLVGR-UHFFFAOYSA-N [Pb].O[Si](O)(O)O Chemical compound [Pb].O[Si](O)(O)O CTVOIPHTLWLVGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 229920001895 acrylonitrile-acrylic-styrene Polymers 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052918 calcium silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 239000002734 clay mineral Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000008119 colloidal silica Substances 0.000 description 1
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000005712 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 230000035622 drinking Effects 0.000 description 1
- 235000021271 drinking Nutrition 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable Effects 0.000 description 1
- 230000004634 feeding behavior Effects 0.000 description 1
- 239000003349 gelling agent Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 1
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003295 industrial effluent Substances 0.000 description 1
- 230000004941 influx Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000006193 liquid solution Substances 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052919 magnesium silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L na2so4 Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000002120 nanofilm Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000000575 pesticide Substances 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 238000001223 reverse osmosis Methods 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 125000005624 silicic acid group Chemical group 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Inorganic materials [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 229910001388 sodium aluminate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 1
- 230000002588 toxic Effects 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 235000013619 trace mineral Nutrition 0.000 description 1
- 239000011573 trace mineral Substances 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для защиты от загрязнения тяжелыми металлами и радионуклидами подземных питьевых вод, грунтов и почв в районах размещения антропогенных отходов. Cпособ создания вертикального защитного сорбирующего геохимического барьера по периметру участка размещения жидких отходов, содержащих тяжелые металлы и радионуклиды, заключается в формировании на поверхности песчаных частиц наноразмерных искусственных аутигенных алюмосиликатных пленок. Поровое пространство песка заполняют щавелево-алюмосиликатным раствором (ЩАС-раствор) на базе жидкого стекла со значением силикатного модуля от 2,8 до 3,1 и плотностью 1,19 г/см3. Полученную песчано-гелевую массу механически разрушают и сушат при температуре выше 0°С до достижения величины коэффициента фильтрации материала сорбента по меньшей мере 90% от коэффициента фильтрации используемого песка. Затем засыпают песчано-гелевый материал в траншею или осуществляют укладку песчано-гелевого материала на сухой уплотненный стабильный грунт. Изобретение позволяет повысить коэффициент фильтрации геохимического барьера. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл.
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для защиты от загрязнения тяжелыми металлами и радионуклидами подземных питьевых вод, грунтов и почв в районах размещения антропогенных отходов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Необходимость использования геохимических барьеров, обладающих высокой сорбционной способностью и высокой проницаемостью, определяется многообразием инженерно-геологических и гидрогеологических условий в районах размещения антропогенных отходов при создании защитных экранов на пути фильтрации загрязненных потоков подземных и поверхностных вод.
[0003] Источником загрязнения подземных и поверхностных вод являются участки размещения промышленных и бытовых отходов, содержащих тяжелые металлы и радионуклиды. Проводником распространения загрязненных вод являются не обладающие поглощающей способностью к названным загрязнителям песчаные разности в грунтовой толще, подстилающей участки размещения отходов или места их несанкционированного сброса.
[0004] Основное загрязняющее влияние промышленных и бытовых отходов оказывается на первый водоносный горизонт, воды которого являются источником питьевого и хозяйственного водоснабжения для значительной части населения страны, проживающей в сельской местности и временно проживающей в летний период за пределами городов.
[0005] К настоящему времени количество крупных мест размещения промышленных и бытовых отходов в России более тысячи. Значительная часть из них приурочена к районам расположения поверхностных водотоков, куда и дренируются воды 1-го водоносного горизонта.
[0006] Анализ состава загрязненных подземных вод, выполняемый различными организациями, показывает, что содержание тяжелых металлов в них превышает в сотни и более раз значения ПДК. Защита подземных вод от загрязнения, естественно, находится в поле пристального внимания и контроля организаций по охране окружающей среды. В настоящее время уже на ряде объектов страны для защиты водных ресурсов от загрязнения сооружаются противофильтрационные сорбирующие завесы на пути фильтрации воды, содержащей тяжелые металлы и радионуклиды.
[0007] Основным способом сооружения вертикальных завес является инъекционный способ, основанный на закачке в поровое пространство песчаных разностей тампонажного раствора, резко снижающего проницаемость этих разностей и формирующего сорбент в отношении тяжелых металлов и радионуклидов на пути их миграции.
[0008] Заполнение порового пространства осуществляется жидким раствором, состав которого через заданный период времени позволяет получить гель высокой сорбционной способности в отношении загрязнителей. Песчано-гелевый материал геохимических барьеров имеет коэффициент фильтрации менее 0,001 м/сут.
[0009] Создание горизонтальных защитных экранов в основании мест размещения отходов в районах развития песчаных отложений может также осуществляться путем пропитки их порового пространства гелеобразующим материалом высокой сорбционной способности в отношении тяжелых металлов и радионуклидов.
[0010] Реализация разработанных способов создания вертикальных и горизонтальных геохимических барьеров на пути распространения загрязненных вод позволяет предотвратить распространение тяжелых металлов и радионуклидов за пределы таких барьеров. Однако, для целого ряда районов страны их инженерно-геологические, гидрогеологические условия, низкая проницаемость барьеров могут привести к возникновению условий, осложняющих дальнейшее освоение территорий, а также условий, ставящих под вопрос целесообразность использования защитных экранов.
[0011] К таким осложняющим условиям при создании вертикальных геохимических барьеров следует, прежде всего, отнести малую вертикальную проницаемость грунтовой толщи, включающую песчаные прослои, заполненные водами, требующими очистки от химических загрязнителей.
[0012] В этом случае малая (низкая) проницаемость по вертикали (сверху вниз) грунтовой толщи, определяемая наличием в разрезе суглинистых разностей, и локализация участка загрязнения по его периметру геохимическим барьером с коэффициентом фильтрации менее 0,001 м/сут приведет к заболачиванию территории. Заболачивание территории будет определяться резким снижением объема инфильтрации атмосферных осадков.
[0013] Создание приповерхностной системы дренажа атмосферных осадков на застроенных больших территориях является сложным и дорогостоящим мероприятием.
[0014] Низкая проницаемость горизонтальных экранов на участках сброса (размещения) загрязненных жидких промышленных отходов может оказаться нецелесообразной, так как потребует отведения больших площадей для создания геохимических барьеров.
[0015] Известны способы защиты природных вод от радиоактивных и токсичных веществ в районах размещения антропогенных отходов, заключающиеся в создании на путях миграции противофильтрационного барьера путем нагнетания в скважины гелеобразующих растворов (см., патент РФ на изобретение №2316068, 27.01.2008).
[0016] Использование этих изобретений позволяет создать в водонасыщенном пористом горизонте противофильтрационный поглотительный барьер, ограничивающий или изменяющий направление загрязненными радиоактивными и токсичными веществами водного потока и предотвращающий дальнейшее загрязнение природных вод и пород.
[0017] Недостатком известных способов является нарушение геофильтрационного режима подземных вод и инфильтрации атмосферных осадков при сооружении такого защитного барьера, что может привести к заболачиванию территории.
[0018] Известны способы изготовления из природных материалов гранулированных сорбентов, предназначенных для использования в качестве фильтрующей и сорбционной засыпки, способной заменить активированный уголь, анионно-катионные смолы, обратноосмотические мембраны при очистке питьевой воды и промышленных стоков от техногенных загрязнителей (тяжелых металлов, нефтепродуктов, органики, пестицидов, радионуклидов и т.д.). Исходным компонентом, используемым в качестве природного связующего при получении гранулированного сорбента, по предлагаемым изобретениям является глауконит (см. патент РФ на изобретение №2348453, 10.03.2009 г., патент РФ на изобретение №2428249, 10.09.2011).
[0019] Широко известно, что глауконит является глинистым минералом переменного состава с высоким содержанием более двадцати микроэлементов, которые находятся в легко извлекаемой форме сменных катионов и легко замещаются находящимися в избытке в окружающей среде радиоактивными и другими токсичными элементами-загрязнителями. Этим свойством, а также наличием слоистой структуры объясняются высокие сорбционные свойства глауконита по отношению к нефтепродуктам, тяжелым металлам, радионуклидам.
[0020] Однако, при всех положительных качествах природного глауконита, недостатком известных способов является необходимость применения стороннего связующего. Это усложняет технологию получения глауконитовых гранул, увеличивает себестоимость конечного продукта из-за высокой цены стороннего связующего, что в конечном итоге сильно влияет на конкурентоспособность продукта и сужает область его применения.
[0021] Известен способ получения гранулированных алюмосиликатных сорбентов, включающий смешивание растворов жидкого стекла и алюмината натрия, кристаллизацию, отмывку полученного гидрогеля от избытка щелочи, грануляцию и обработку щелочным раствором, при этом гранулированный гидрогель дополнительно подвергают обработке 1-5% раствором сернокислого алюминия с последующей выдержкой в растворе аммиака и отмывкой дистиллированной водой (а.с. СССР №835956).
[0022] Известный способ технологически сложен в реализации, требуется наличие определенных химических реагентов, что в свою очередь также негативно сказывается на ценовых характеристиках конечного продукта.
[0023] Примером возведения защитных барьеров является также способ удержания тяжелых металлов, мигрирующих в техногенных потоках загрязнения (патент РФ №2050334, 20.12.1995), при осуществлении которого на путях миграции потока создают поглотительный барьер за пределами источника загрязнения. Барьер представляет собой цепь скважин на расстоянии 4 - 5 м, в которые нагнетают гелеобразующие растворы с временем гелеобразования 1-1,5 ч, формирующие гель, например щавелево-алюмосиликатный, поглощающий тяжелые металлы.
[0024] Недостатком известного решения является низкий коэффициент фильтрации барьера (0,003 м/сут), а также распределение сорбирующего геля в поровом пространстве тампонируемых песчаных разностей, а не на поверхности песчаных частиц.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0025] Предложенное техническое решение позволяет решить техническую проблему в части создания экономичного способа сооружения геохимического барьера из сорбента, характеризующегося высокими фильтрационными и сорбционными свойствами, на основе природного материала и химических гелеобразующих реагентов.
[0026] Предложенное техническое решение позволяет получить эффективный геохимический барьер, содержащий сорбент, получаемый путем перевода химических компонентов геля, заполняющего поровое пространство песчаных разностей, в состав искусственной аутигенной пленки на поверхности песчаных частиц.
[0027] На пути миграции загрязненного потока за пределами источника загрязнения сооружают вертикальный или горизонтальный защитный барьер из сорбента высокой сорбционной способности и высокой проницаемости, который создают путем формирования искусственной аутигенной пленки на поверхности песчаных частиц.
[0028] Техническим результатом является повышение коэффициента фильтрации геохимического барьера, а также получение эффективного сорбента путем перевода химических компонентов геля, заполняющего поровое пространство песчаных разностей, в состав искусственной аутигенной пленки на поверхности песчаных частиц.
[0029] В первом предпочтительном варианте осуществления заявленный технический результат достигается за счет способа создания вертикального защитного сорбирующего геохимического барьера по периметру участка размещения жидких отходов, содержащих тяжелые металлы и радионуклиды, заключающийся в выполнении последовательных этапов, включающих в себя:
формирование на поверхности песчаных частиц наноразмерных искусственных аутигенных алюмосиликатных пленок путем заполнения порового пространства песка щавелево-алюмосиликатным раствором (ЩАС-раствор) на базе жидкого стекла со значением силикатного модуля от 2,8 до 3,1 и плотностью 1,19 г/см3; последующего механического разрушения и сушки полученной песчано-гелевой массы при температуре выше 0°С до достижения величины коэффициента фильтрации материала сорбента, по меньшей мере, 90% от коэффициента фильтрации используемого песка;
последующую засыпку песчано-гелевого материала в траншею.
[0030] Во втором предпочтительном варианте осуществления заявленный технический результат достигается за счет способа создания горизонтального защитного сорбирующего геохимического барьера в основании участка размещения жидких отходов, содержащих тяжелые металлы и радионуклиды, заключающийся в выполнении последовательных этапов, включающих в себя:
формирование на поверхности песчаных частиц наноразмерных искусственных аутигенных алюмосиликатных пленок путем заполнения порового пространства песка щавелево-алюмосиликатным раствором (ЩАС-раствор) на базе жидкого стекла со значением силикатного модуля от 2,8 до 3,1 и плотностью 1,19 г/см3; последующего механического разрушения и сушки полученной песчано-гелевой массы при температуре выше 0°С до достижения величины коэффициента фильтрации материала сорбента, по меньшей мере, 90% от коэффициента фильтрации используемого песка;
укладку песчано-гелевого материала на сухой, хорошо уплотненный стабильный грунт.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0031] В первом предпочтительном варианте осуществления предлагается создание вертикального защитного сорбирующего геохимического барьера по периметру участка размещения жидких отходов, содержащих тяжелые металлы и радионуклиды, при котором осуществляют формирование на поверхности песчаных частиц наноразмерных искусственных аутигенных алюмосиликатных пленок путем заполнения порового пространства песка щавелево-алюмосиликатным раствором (ЩАС-раствор) на базе жидкого стекла со значением силикатного модуля от 2,8 до 3,1 и плотностью 1,19 г/см3; последующего механического разрушения и сушки полученной песчано-гелевой массы при температуре выше 0°С до достижения величины коэффициента фильтрации материала сорбента, по меньшей мере, 90% от коэффициента фильтрации используемого песка, и последующую засыпку песчано-гелевого материала в траншею.
[0032] Во втором варианте предлагается способ создания горизонтального защитного сорбирующего геохимического барьера в основании участка размещения жидких отходов, содержащих тяжелые металлы и радионуклиды, при выполнении которого формируют на поверхности песчаных частиц наноразмерных искусственных аутигенных алюмосиликатных пленок путем заполнения порового пространства песка щавелево-алюмосиликатным раствором (ЩАС-раствор) на базе жидкого стекла со значением силикатного модуля от 2,8 до 3,1 и плотностью 1,19 г/см3; последующего механического разрушения и сушки полученной песчано-гелевой массы при температуре выше 0°С до достижения величины коэффициента фильтрации материала сорбента, по меньшей мере, 90% от коэффициента фильтрации используемого песка, и укладку песчано-гелевого материала на сухой, хорошо уплотненный стабильный грунт.
[0033] При этом при подготовке основания дополнительно может обустраиваться дренажная система для отведения инфильтрата, прошедшего очистку через барьер.
[0034] Чтобы контролировать дозирование компонентов, необходимо заранее определить количество песка и принять это во внимание при расчете масс для правильной настройки смесительной установки.
[0035] Сорбент состоит из следующих компонентов:
- природный песок
- гель щавелево-алюмосиликатного (ЩАС) раствора: жидкое стекло, сернокислый алюминий, щавелевая кислота, вода.
[0036] Песчаные грунты составом от мелких до гравелистых (СНиП 2.02.01-83) имеют коэффициент фильтрации (Кф) от 5 до 100 и более м/сут. Значение Кф геохимического барьера, сооруженного из этих песчаных разностей, будет составлять, по меньшей мере, 90% от Кф используемого песка.
[0037] Пример 1: при использовании в качестве составляющего материала сорбента мелкозернистого песка с Кф=5,5 м/сут коэффициент фильтрации геохимического барьера составляет 5 м/сут.
[0038] Пример 2: при использовании в качестве составляющего материала сорбента крупнозернистого песка с Кф=110 м/сут коэффициент фильтрации геохимического барьера составляет 100 м/сут.
[0039] Величина сорбционной емкости, полученная в динамических условиях, материала геохимического барьера составляет 0,5-3,0 мг/см3.
[0040] Готовность сорбента определяется его сыпучестью. Готовая смесь рыхлая, имеет зернистый вид, является удобной в обращении. Сорбент, в зависимости от объема, обрабатывается и перемещается обычным оборудованием для земляных работ (деревянные лопаты или кувалды с резиновым наконечником, телескопические или длинноковшовые экскаваторы и легкие катки/уплотнители или иным способом).
[0041] Технология приготовления сорбента высокой проницаемости
[0042] Технология приготовления данного сорбента опирается на гель-золь процессы, используемые в производстве нано-структурных материалов: в том числе композитных материалов, оптических волокон, ксерогелевых нанопленок.
[0043] На стадии приготовления ЩАС раствора реакции гидролиза и поликонденсации кремниевой кислоты приводят к образованию коллоидного раствора (золя), - состоящего из частиц размером в несколько десятков нм. При взаимодействии силиката натрия со щавелевой кислотой происходит химическая реакция, приводящая к образованию оксалата натрия и выделению слабой кремниевой кислоты: Na2SiO3+Н2С2О4+Н2О=Na2C2O4+Si(OH)4
[0044] Молекулы малорастворимой кремниевой кислоты формируют агрегаты, протекают процессы конденсации, сопровождаемые выделением воды и формированием коллоидных частиц кремнезема:
Si(OH)4→SiO2↓+Н2О
[0045] При отверждении раствора силиката натрия (жидкого стекла) солями кальция, магния, алюминия и др. образуются кальций-, магний- и алюмосиликатные гели, соответственно, в которых наряду с однородными силоксановыми связями формируются смешанные кальций-силоксановые, магний-силоксановые, алюмо-силоксановые связи. Состав и концентрация отвердителя влияют на структуру гелей. В предлагаемой технологии используется комплексный отвердитель, состоящий из сульфата алюминия и щавелевой кислоты. Формирование алюмосиликатных гелей из смеси силиката натрия с растворами солей алюминия происходит в широкой области соотношений состава смесей. Изменение рН за счет добавления щавелевой кислоты приводят к интенсивному образованию контактов между частицами и образованию монолитного геля, в котором молекулы воды заключены в гибкую, но достаточно устойчивую трехмерную сетку, образованную частицами алюмосиликата - гель.
[0046] Гелеобразование - это вид коагуляции, при котором не образуются дискретные частицы осадка, а вся масса коллоида, связывая растворитель, переходит в своеобразное полужидкое-полутвердое состояние. Происходит не только коагуляция, но и поликонденсация кремневой кислоты. При добавлении в раствор силиката натрия (жидкое стекло) отвердителей, которыми могут служить и кислоты, и соли поливалентных металлов, происходит укрупнение коллоидных частиц и конденсация ионных форм кремнекислоты в более сложные комплексы. С образованием крупных частиц раствор становится гетерогенным, происходит сцепление частиц в гроздья и цепи в местах их наименьшей гидрофильности. В силикатном золе по мере увеличения агрегации частиц появляется структурная сетка и происходит застудевание всей массы.
[0047] Сформировавшийся гель состоит из двух существенно обособленных элементов: скелета и интермицелярной жидкости. Ажурный скелет геля образуют структурные элементы угловатой формы с большим количеством контактов. В присутствии частиц песка гель полностью покрывает их поверхность благодаря близкой химической природе этих компонентов. В свежеприготовленном геле на каждую молекулу кремнезема приходится около 300 молекул воды, из которых меньшая часть связана с молекулами кремнезема, а большая заключена между структурными элементами. При уменьшении количества воды меняются механические свойства геля: при содержании 30-40 молекул воды на молекулу кремнекислоты гель легко режется ножом, при 20 он становится плотным и тугим, при 10 рассыпчатый. Для придания механической прочности и сыпучести песчано-гелевому материалу производится его сушка, в процессе которой удаляется жидкость, заполняющая пространство между частицами, составляющими сетку геля на поверхности частиц песка. На этой стадии исходно механически непрочная пленка сырого геля претерпевает огромную усадку и приобретает свойства твердого покрытия. В результате на поверхности частиц песка образуется пленка геля с сохранением наноразмеров структурных элементов и достаточно высокими значениями удельной поверхности, которые определяют хорошие сорбционные свойства материала.
[0048] Ключевыми моментами технологии являются:
1) эмпирический подбор оптимального соотношения жидкого стекла и комплексного отвердителя для задания необходимого времени гелеобразования с учетом объемов производимой партии сорбента;
2) определение оптимального времени сушки в зависимости от влажности и температуры окружающей среды, обеспечивающего получение сыпучего материала без растрескивания пленки ПГМ.
[0049] Для разработанного геохимического барьера должно использоваться жидкое стекло плотностью 1,19 г/см3. Рыночные образцы в основном представлены вариантами с плотностью от 1,44 до 1,50 г/см3. Получение стекла плотностью 1,19 г/см3 осуществляется путем разбавления поступившего жидкого стекла водой. Добавка воды выполняется в емкости, оборудованной быстроходной мешалкой, куда предварительно заливается жидкое стекло исходной(заводской) плотности.
[0050] Необходимое количество воды определяется по формуле:
Где γ1 - исходная плотность жидкого стекла, γ2 - востребованная плотность жидкого стекла (1,19 г/см3), γ3 - плотность воды.
[0051] Например, при γ1=1,46 г/см3, γ2=1,19 г/см3, γ3=1,00 г/см3 по формуле 1 получаем величину 1,42. Это означает, что для получения жидкого стекла плотностью 1,19 г/см3, необходимо на каждый 1 м3 исходного жидкого стекла (плотностью 1,46 г/см3) добавить (при включенной мешалке) 1,42 м3 воды.
[0052] Для приготовления отвердителя необходимо в емкость с водой, при работающей мешалке, добавить в произвольной последовательности щавелевую кислоту и сернокислый алюминий в пропорции: на 1 м3 воды 60 кг кислоты и 60 кг алюминия.
[0053] Перемешивание полученного раствора должно осуществляться не менее 20 минут (до полного растворения реагентов).
[0054] Приготовление ЩАС раствора осуществляется путем добавления при работающей мешалке к жидкому стеклу плотностью 1,19 г/см3 отвердителя. Объем добавляемого отвердителя определяется желаемым временем гелеобразования ЩАС раствора в 2 часа.
[0055] Приготовление песчано-гелевого материала осуществляется в любой емкости известного объема. В используемую емкость прежде всего заливается ЩАС раствор со временем гелеобразования 2 часа непосредственно после его приготовления. Объем ЩАС раствора должен составлять 45% от объема емкости. После заливки ЩАС раствора в емкость засыпается песок. При засыпке песка исключается наличие в нем комков любого размера. Объем введенного в емкость песка должен обеспечивать выравнивание уровней песка и поднявшегося уровня ЩАС раствора в емкости.
[0056] Перевод геля ЩАС раствора в состав аутигенной пленки на поверхности песчаных частиц осуществляется путем его высушивания. С этой целью масса песчано-гелевого материала с нарушенной структурой вводится в контакт с воздушной средой. Такой контакт возможно осуществлять путем выполнения следующих двух вариантов, определяемых востребованными объемами материала геохимического барьера.
[0057] Вариант №1 используется если востребованный объем материала не превышает 2-3м3. В этом случае высушивание песчано-гелевого материала можно осуществить на площадке площадью 50 м2. Высушивание до сыпучего состояния материала геохимического барьера занимает 2-3 суток в летний период при условии защиты площадки от дождей. Процесс высушивания осуществляется при толщине слоя материала в 3-5 см, и должен сопровождаться перемешиванием с регулярностью 2-3 раза в сутки.
[0058] Вариант №2 применим при необходимых объемах материала геохимического барьера, исчисляющимися сотнями и тысячами кубических метров. В этом случае для высушивания используется постоянная подача нагретого до 50-60°С воздуха к месту размещения песчано-гелевого материала.
[0059] Полученный материал обладает хорошей поглощающей (сорбционной) способностью. Например, в отношении кадмия - 2,2 мг/см3. При ежесуточном поступлении жидких отходов в объеме 50 м3, загрязненных кадмием с концентрацией 0,1 мг/л, на барьер площадью 10 м2 и мощностью 0,3 м очистка от кадмия до ПДК=0,001 мг/л сможет осуществляться в течение 3,6 лет. Для создания такого барьера потребуется 3 м3 песка, 0,35 м3 жидкого стекла плотностью 1,46 г/см3, 22,5 кг щавелевой кислоты и 22,5 кг сернокислого алюминия, 1,75 м3 воды.
[0060] Химизм процесса поглощения ионов-загрязнителей
[0061] Поверхность алюмосиликатного песчано-гелевого материала несет частичный отрицательный заряд, который определяет высокое сродство к ней загрязнителей катионного характера, таких как ионы тяжелых металлов и радионуклидов. При погружении сорбента в воду или обводненную среду пленка геля набухает, присоединяя молекулы воды, объемная структура геля и межмицеллярные полости восстанавливаются.
[0062] Наличие в геле жидкой фазы создает благоприятные условия для диффузии в пленку геля веществ из контактирующего раствора. Скорости диффузии ионов в гелях сопоставимы со скоростями их движения в сплошных водных растворах. При контакте пленки геля с раствором электролита, состав которого отличен от интермицеллярной жидкости, происходит встречная диффузия ионов из раствора в гель и наоборот. Благодаря этому процессу труднорастворимые соединения элементов загрязнителей могут образовываться не только на поверхности, но и в объеме геля. При взаимодействии геля с грунтовыми водами, содержащими загрязняющие тяжелые металлы и другие элементы, происходит хемосорбция катионов элементов и синтез на поверхности скелета геля аморфных труднорастворимых силикатов. Пленкой геля сорбируются все элементы, которые образуют с его каркасом труднорастворимые соли. Известно, что полимерные формы соединений образуют малорастворимые соединения с теми же элементами, что и мономерные формы, а большинство силикатов в воде нерастворимо. Растворимыми являются только соли щелочных металлов. Скорость хемосорбции особенно велика в начале работы сорбента.
[0063] В интермицеллярной жидкости пленки ЩАС геля содержатся сульфат и оксалат натрия, а также кремнекислота в форме силиката натрия. Алюминий в интермицеллярной жидкости отсутствует, так как при используемых соотношениях исходных компонентов он полностью входит в состав скелета геля. При обильном омывании песчано-гелевого материала водой указанные компоненты постепенно выносятся во внешний раствор, прочность гелевого покрытия при этом не изменяется, так как скелет геля практически нерастворим.
[0064] Таким образом, вышеописанная технология за счет формирования на поверхности песка наноразмерных искусственных аутигенных алюмосиликатных пленок позволяет получить эффективный сорбент для загрязнителей катионного характера.
[0065] В Таблице 1 приведены физико-механические и сорбционные показатели получаемого сорбирующего барьера.
Claims (10)
1. Способ создания вертикального защитного сорбирующего геохимического барьера по периметру участка размещения жидких отходов, содержащих тяжелые металлы и радионуклиды, при котором
осуществляют формирование на поверхности песчаных частиц наноразмерных искусственных аутигенных алюмосиликатных пленок путем заполнения порового пространства песка щавелево-алюмосиликатным раствором (ЩАС-раствор) на базе жидкого стекла со значением силикатного модуля от 2,8 до 3,1 и плотностью 1,19 г/см3;
выполняют механическое разрушение и сушку полученной песчано-гелевой массы при температуре выше 0°С до достижения величины коэффициента фильтрации материала сорбента по меньшей мере 90% от коэффициента фильтрации используемого песка и
выполняют засыпку песчано-гелевого материала в траншею.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент фильтрации геохимического барьера составляет от 5 до 100 м/сут.
3. Способ создания горизонтального защитного сорбирующего геохимического барьера в основании участка размещения жидких отходов, содержащих тяжелые металлы и радионуклиды, при котором
осуществляют формирование на поверхности песчаных частиц наноразмерных искусственных аутигенных алюмосиликатных пленок путем заполнения порового пространства песка щавелево-алюмосиликатным раствором (ЩАС-раствор) на базе жидкого стекла со значением силикатного модуля от 2,8 до 3,1 и плотностью 1,19 г/см3;
выполняют механическое разрушение и сушку полученной песчано-гелевой массы при температуре выше 0°С до достижения величины коэффициента фильтрации материала сорбента по меньшей мере 90% от коэффициента фильтрации используемого песка и
осуществляют укладку песчано-гелевого материала на сухой уплотненный стабильный грунт.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что коэффициент фильтрации геохимического барьера составляет от 5 до 100 м/сут.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2784367C1 true RU2784367C1 (ru) | 2022-11-24 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4500227A (en) * | 1982-05-05 | 1985-02-19 | Commissariat A L'energie Atomique | Process and geological installation for the removal of radioactive waste |
| US4859367A (en) * | 1987-10-02 | 1989-08-22 | Joseph Davidovits | Waste solidification and disposal method |
| RU2050334C1 (ru) * | 1991-12-11 | 1995-12-20 | МГУ им.М.В.Ломоносова | Способ удержания тяжелых металлов, мигрирующих в техногенных потоках загрязнения |
| RU154393U1 (ru) * | 2014-09-16 | 2015-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | Геохимический барьер |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4500227A (en) * | 1982-05-05 | 1985-02-19 | Commissariat A L'energie Atomique | Process and geological installation for the removal of radioactive waste |
| US4859367A (en) * | 1987-10-02 | 1989-08-22 | Joseph Davidovits | Waste solidification and disposal method |
| RU2050334C1 (ru) * | 1991-12-11 | 1995-12-20 | МГУ им.М.В.Ломоносова | Способ удержания тяжелых металлов, мигрирующих в техногенных потоках загрязнения |
| RU154393U1 (ru) * | 2014-09-16 | 2015-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | Геохимический барьер |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| В.И. Сергеев и др. Способ доочистки промышленных отходов от радионуклидов с использованием геохимических барьеров, Вопросы атомной науки и техники, Сер. Физика ядерных реакторов, вып.4, с.64-72, 2015. В.И. Сергеев и др. Геохимический барьер высокой проницаемости в песчаных грунтах, Новые идеи и теоретические аспекты инженерной геологии, Труды международной научной конференции, Москва, с.78-83, 4.02.2021. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| McCallister et al. | Leach tests on lime-treated clays | |
| NO142213B (no) | Fremgangsmaate til forbedring av kvaliteten av gjennomloepsvannet fra avfallsfyllinger | |
| RU2471737C1 (ru) | Композиционный строительный материал | |
| UA34475C2 (ru) | Глиносодержащая смесь, способ формирования геля с использованием глиносодержащей смеси, средство гидроизоляции резервуаров, способ изоляции свалок | |
| CN113718751A (zh) | 一种基于脲酶诱导碳酸钙沉积固化淤泥土的方法 | |
| Bordoloi et al. | Feasibility of construction demolition waste for unexplored geotechnical and geo-environmental applications-a review | |
| CN110314928B (zh) | 一种原位控制土中石油类污染物迁移的方法 | |
| JP3649657B2 (ja) | 土壌改良方法 | |
| CN108130838A (zh) | 一种净化水质的透水路面蓄水基础层模块及其制备方法 | |
| CN100503487C (zh) | 油区废泥浆高效固化处理剂及其固化处理工艺 | |
| RU2784367C1 (ru) | Способ создания вертикального и горизонтального геохимического барьера высокой проницаемости и высокой сорбционной способности в отношении тяжелых металлов и радионуклидов (варианты) | |
| JP2634220B2 (ja) | 特に堆積処分場造成のための水密土層形成方法 | |
| CN107354838A (zh) | 单向透水混凝土结构及其制备方法 | |
| McCallister | The effects of leaching on lime-treated expansive clays | |
| Samuel | Synthesis of metakaolin-based geopolymer and its performance as sole stabilizer of expansive soils | |
| JP3455952B2 (ja) | 有害物の固定方法 | |
| JP2008285891A (ja) | Ｌ型擁壁構造 | |
| KR101423123B1 (ko) | 폐기물 매립장 지반조성용 차수층 시공방법 | |
| CN103933696B (zh) | 一种有毒有害固体废弃物固化稳定化用固化剂 | |
| KR20010014471A (ko) | 폐기물 매립장 차수벽의 설치방법 | |
| JP3708017B2 (ja) | 地盤構造およびその造成方法並びに雨水利用システム | |
| KR100577332B1 (ko) | 토양 응결용 경화제 조성물 | |
| RU2340727C1 (ru) | Защитный гидроизоляционный экран | |
| KR970006719B1 (ko) | 생활쓰레기 및 산업폐기물 매립지의 지반처리시공법 및 그 지반의 토양고화조성물 | |
| Yang et al. | Research on the purification efficiency and mechanism for road runoff pollutants in pervious concrete with recycled aggregates |