Шершнева М.В., Макарова Е.И.. Естественно-научные основы геоэкохимической картины мира

серовато-белый, иногда с зеленоватым, синеватым, реже красноватым оттенком. Блеск – стеклянный. Существуют разновидности плагиоклаза, получившие особые названия, благодаря некоторым оптическим эффектам:

○лунный камень – плагиоклаз, обладающий своеобразным нежносиневатым отливом, напоминающим лунный свет;

○лабрадор – серый и черный плагиоклаз с синим или зеленым от-

ливом.

Спайность – совершенная. Твердость – 6. Отличается по косому углу спайности. Происхождение – магматическое.

Лабрадор используется в качестве облицовочного камня. Сплошные скопления плагиоклазов из-за пониженного содержания в них щелочей редко могут представлять промышленный интерес.

Ортоклаз (K(AlSi3O8))

Ортоклаз по-гречески – прямораскалывающийся. Действительно, угол между спайностями равен 90. Кристаллы – призматические. Агрегаты – зернистые массы. Цвет – светло-розовый, буровато-желтый, иногда мясокрасный. Блеск – стеклянный. Спайность – совершенная. Твердость – 6. Макроскопические ортоклазы довольно легко узнаются по красноватой окраске, высокой твердости, прямому углу между спайностями. Происхождение – магматическое. Стеклянная и керамическая промышленность использует их для изготовления электрофарфора.

Тальк – 3MgO4·SiO2·H2O

Кристаллы и агрегаты представляют листоватые чешуйчатые, часто плотные массы; сингония – моноклинная. Цвет – бледно-зеленный или белый с желтоватым и буроватым оттенком. Блеск – стеклянный с перламутровым отливом. Спайность – совершенная. Твердость – 6. Легко узнается по низкой твердости, жирному ощущению в руках. Происхождение гидротермальное. В керамике используется как огнеупорный материал, применяется в бумажной и текстильной промышленности.

2ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Врезультате антропогенной деятельности в окружающую среду вносятся искусственные минералы, которые входят в состав различных твердых промышленных отходов. В условиях активной промышленной деятельности такие отходы образуются в процессе добычи полезных ископаемых, в процессе переработки сырья и в процессе использования готовой продукции. Многие минералы как природного, так и техногенного происхождения, так или иначе содержат силикатную составляющую (табл. 2.1).

21

С учетом того, что количество отходов, содержащих силикатсодержащие минералы, в настоящее время измеряется миллионами тонн, возникает необходимость в изучении полезных свойств силикатсодержащих минералов природного и техногенного происхождения для решения вопроса безопасной утилизации. Одним из таких полезных свойств, обнаруженных учеными кафедры «Инженерная химия и естествознание», является способность силикат- и гидросиликатсодержащих отходов (и минералов) кальция и магния поглощать ионы тяжелых металлов (ИТМ) из растворов. В табл. 2.2 приведены результаты исследования геоэкозащитных свойств природных и техногенных минералов.

22

Количественной характеристикой геоэкозащитных свойств является статическая емкость и динамическая активность по отношению к ионам тяжелых металлов.

В статических условиях жидкость не перемещается относительно частиц сорбента, т. е. они двигаются совместно (в аппаратах с перемешивающимися устройствами). В динамических условиях жидкость перемещается относительно сорбента (в фильтрах и аппаратах с псевдоожиженным слоем).

1. Пример расчета статической емкости отхода, содержащего силикатсодержащие минералы

Рассчитать статическую емкость измельченных отходов бетона, мг/г, если для полного обезвреживания 0,03 м3 сточных вод с концентрацией ИТМ, равной 0,008 г/л, потребовалось 0,1 кг отхода.

Расчет статической емкости отходов, мг/г, ведется в соответствии с уравнением Гиббса:

a (Cисх Скон) V ,

m

где а – статическая емкость отхода, мг/г; Сисх, Скон – исходная и конечная концентрация ионов металлов в пробе,

мг/л;

V – объем пробы, л;

m – доза отхода в объеме пробы, г.

Учитывая, что по условию задачи происходит полная очистка, при-

нимаем Скон = 0.

С учетом соблюдения размерности статическая емкость равна:

a (8 0) 30 = 2,4 мг/г. 100

2. Пример расчета времени работы фильтра

Рассчитать время работы фильтра производительностью Q = 3 м3/ч, если для очистки сточных вод от ионов свинца используют отходы бетона емкостью 3 мг/г в количестве 0,5 кг. Исходная концентрация ионов свинца

23

в сточной воде 1 мг/л, конечная концентрация ионов свинца после очист-

ки – 0,05 мг/л.

2.1.Пересчитать производительность фильтра

Q = 3 м3/ч = 3000 л/ч

2.2.Вычислить концентрацию свинца, мг/л, поглощаемую сорбентом:

∆С = Сисх – Скон = 1 – 0,05 = 0,95.

2.3. Вычислить количество свинца, поглощаемое сорбентом за 1 час работы фильтра, мг/ч.

qPb = Q · ∆С = 3000 · 0,95 = 2850.

2.4. Вычислить массу свинца, которую теоретически может поглотить вся масса сорбента.

Учитывая, что емкость сорбента 3 мг/г, массу свинца, поглощенного сорбентом, можно рассчитать по формуле:

mPb = mсорб · aсорб = 0,5 кг · 3 мг/г = 500 г · 3 мг/г = 1500 мг. 2.5. Вычислить время работы фильтра:

t = mPb/qPb = 1500 мг/2850 мг/ч ≈ 0,53 ч.

До выполнения экспериментальной части работы необходимо ознакомиться с теорией и выполнить расчетные задания по номеру варианта

(табл. 2.3).

Задания

1.Рассчитать статическую емкость измельченных отходов бетона, мг/г, если для полного обезвреживания объема сточных вод V с концентрацией тяжелого металла, равной С, потребовалось m отходов.

2.Рассчитать время работы фильтра производительностью Q, если для очистки сточных вод от ионов свинца используют отходы бетона емко-

стью aсорб в количестве mсорб. Исходная концентрация ионов свинца в сточной воде – Сисх, конечная концентрация ионов свинца после очистки – Скон.

24

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Определение эффективности очистки сточных вод от ИТМ силикатсодержащими минералами

В данных лабораторных работах используется потенциометрический метод. В основе потенциометрических измерений лежит зависимость равновесного потенциала электрода от активности (концентрации) определяемого иона. В потенциометрии применяют мембранные (ионоселективные) и металлические индикаторные электроды. Различают прямую и косвенную потенциометрию. Раздел прямой потенциометрии, где индикаторным электродом служит ионоселективный электрод (ИСЭ), называют ионометрией.

Возникновение потенциала мембранного электрода обусловлено ионообменными процессами на границе раздела электрод–раствор. По определению ИЮПАК*, «ионоселективные электроды – это сенсоры (чув-

* ИЮПАК – Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC).

25

ствительные элементы, датчики), потенциалы которых линейно зависят от lgа определяемого иона в растворе». Важнейшей составной частью большинства этих электродов является полупроницаемая мембрана – тонкая пленка, отделяющая внутреннюю часть электрода (внутренний раствор) от анализируемого и обладающая способностью пропускать преимущественно ионы только одного вида. Это удобный, простой и современный экспрессный метод, при котором на само измерение тратится не более 1– 2 мин. От других физико-химических методов ионометрия отличается прежде всего простотой методики.

Для работы предлагается один из следующих отходов, в состав которых входят силикатсодержащие минералы: бой бетона (1), хлоритсодержащий щебень (2), отходы пенобетона (3), цемент (4), доменный гранулированный шлак (5).

Порядок проведения работы

1.В стакан налить 50 мл исходного раствора, содержащего ионы

кадмия.

2.Измерить исходную концентрацию ионов кадмия в растворе, используя Сd-электроды (согласно инструкции на определение данного иона).

3.Предложенную навеску отхода (5 г) поместить в исходный раствор, содержащий ионы кадмия.

4.Пробы тщательно перемешать и оставить для отстаивания на

10 мин.

5.По истечении времени отстаивания пробу объемом 50 мл необходимо отфильтровать через бумажный фильтр. Проба должна быть прозрачной и не содержать никаких примесей отхода. При необходимости фильтрацию провести дважды.

6.Определить остаточную концентрацию ионов кадмия в растворе.

7.Рассчитать эффект очистки, результаты внести в таблицу.

8.Сделать вывод.

26

Библиографический список

1.Руководство к лабораторным работам по инженерной геологии : учеб.

пособие / В. М. Бевзюк, С. Г. Колмогоров, П. Л. Клемяционок. – Санкт-Петербург :

ПГУПС, 2007. – 59 с.

2.Введение в геоэкохимию детоксикации литосферы на базе особенностей процессов твердения вяжущих и искусственного камнеобразования : монография / Л. Б. Сватовская, М. В. Шершнева, А. М. Сычева, Е. И. Макарова, М. М. Байдарашвили. – Санкт-Петербург : ПГУПС, 2012. – 81 с.

3.Патент № 2152360 Российская Федерация. Способ очистки сточных вод от ионов металлов / Сватовская Л. Б., Панин А. В., Шершнева М. В., Тарасов А. В., Смирнова Т. В., Смирнов А. В. – Опубл. 10.07.2000/

4.Патент № 2327647 Российская Федерация. Способ очистки сточных вод от ионов меди / Сватовская Л. Б., Шершнева М. В., Соловьева К. Ю., Смирнова Т. А., Пузанова Ю. Е. – Опубл. 27.06.2008.

5.Патент № 2360732 Российская Федерация Способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов / Сватовская Л. Б., Шершнева М. В., Пузанова Ю. Е., Олино С. В., Пузанов Е. Е., Шершнев В. А. – Опубл. 10.07.2009.

6.Патент № 2360868 Российская Федерация. Способ очистки сточных вод от ионов меди / Сватовская Л. Б., Шершнева М. В., Пузанова Ю. Е., Олино С. В., Пузанов Е. Е., Шершнев В. А. – Опубл. 10.07.2009.

7.Патент № 2401805 Российская Федерация. Способ очистки сточных вод от ионов меди / СватовскаяЛ. Б., ШершневаМ. В., ПузановаЮ. Е. – Опубл. 20.10.2010.

8.Патент № 2433960 Российская Федерация. Способ очистки сточных вод от ионов меди / Сватовская Л. Б., Шершнева М. В., Латутова М. Н., Пузанова Ю. Е., Кондрашов А. А., Кондратьев П. Д. – Опубл. 20.11.2011.

9.Патент № 2433959 Российская Федерация. Способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов / Сватовская Л. Б., Пузанова Ю. Е., Олино С. В., Ивано-

ва А. С. – Опубл. 20.11.2011.

10.Патент № 2455238 Российская Федерация. Способ очистки сточных вод от ионов меди / Сватовская Л. Б., Латутова М. Н., Макарова Е. И., Шершнева М. В., Кондрашов А. А., Кондратьев П. Д., Байдарашвили М. М. – Опубл. 10.07.2012.

27

Учебное издание

Шершнева Мария Владимировна Макарова Елена Игоревна

ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ГЕОЭКОХИМИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА

Учебное пособие

Редактор и корректор Г. Н. Кириллова Компьютерная верстка М. С. Савастеевой

План 2013 г. № 29

Подписано в печать с оригинал-макета 31.01.14. Формат 60×841/16. Бумага для множ. апп. Печать ризография.

Усл. печ. л. 1,8. Тираж 300 экз. Заказ 179.

Петербургский государственный университет путей сообщения. 190031, СПб., Московский пр., 9.

Типография ПГУПС. 190031, СПб., Московский пр., 9.

29