Композитные сорбенты из природного и техногенного сырья: оптимизация состава для рекультивации

Статья посвящена исследованию адсорбции ионов тяжелых металлов и металлоидов (ТММ) из модельных растворов с различной концентрацией ТММ при постоянной температуре окружающей среды (сорбенты — торф, осадки водоподготовки; тяжелые металлы и металлоиды — медь, мышьяк, свинец) и последующему построению изотерм адсорбции для исследуемых материалов и экспериментальных составов композитной смеси «торф — осадки водоподготовки». Цель исследования: выявить оптимальный состав композитного сорбционного материала на основе природного сырья и осадков водоподготовки, потенциально эффективный в отношении селективной иммобилизации ионов ТММ. Результаты экспериментов показали, что для «зеленой» утилизации осадков водоподготовки в смеси с торфом содержание осадков водоподготовки может достигать 80 масс. %. При этом отмечено сохранение сорбционной эффективности композитного материала в сравнении с исходными компонентами. Установлено, что изотермы адсорбции ионов Cu2+, As3+, Pb2+ на тестируемых материалах — торф, осадки водоподготовки и композитный сорбционный материал (торф — осадки водоподготовки в различных пропорциях), могут быть хорошо аппроксимированы прямыми линиями; это удостоверяет факт возможности использования наиболее часто применяемых моделей равновесной адсорбции: модели Фрейндлиха и модели Ленгмюра. Исследование подтверждает гипотезу о том, что «зеленая» утилизация техногенного продукта позволяет получить доступный и недорогой мелиорант, пригодный для рекультивации и одновременной ремедиации нарушенных земель, загрязненных ТММ.

Юрак В. В., Апакашев Р. А., Лебзин М. С., Малышев А. Н. Композитные сорбенты из природного и техногенного сырья: оптимизация состава для рекультивации // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 12-1. — С. 177—191. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_121_0_177.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22−24−20102, https://rscf.ru/project/22−24−20102/ при финансовой поддержке Правительства Свердловской области.

Юрак Вера Васильевна — докт. экон. наук, доцент; доцент кафедры экономики и менеджмента, заведующая научно-исследовательской лабораторией рекультивации
нарушенных земель и техногенных объектов ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет», Scopus Author ID: 57190411535; ORCID: 0000-0003-15293865; SPIN-код: 6822−2708 (ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет», Российская Федерация, 620144, г. Екатеринбург, Куйбышева, 30; e-mail: vera_yurak@mail.ru);
Апакашев Рафаил Абдрахманович — докт. хим. наук, профессор; проректор по научной работе ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет», Scopus Author ID: 6603092433; ORCID: 0000-0002-9006-3667; SPIN-код: 8488−6615 (ФГБОУ
ВО «Уральский государственный горный университет», Российская Федерация, 620144, г. Екатеринбург, Куйбышева, 30; e-mail: Apakashev.R@m.ursmu.ru);
Лебзин Максим Сергеевич — младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории рекультивации нарушенных земель и техногенных объектов, Уральский государственный горный университет, Россия, 620144, Екатеринбург, Куйбышева, 30, Scopus Author ID: 57218647741; ORCID: 0000-0001-5959-135X, science@ursmu.ru; Малышев Александр Николаевич — лаборант-исследователь научно-исследовательской лаборатории рекультивации нарушенных земель и техногенных объектов, Уральский государственный горный университет, Россия, 620144, Екатеринбург, Куйбышева, 30, ORCID: 0000-0002-3104-1687, malyshev.k1b@gmail.com.

1. Селезнев А. А., Климшин А. В. Тяжелые металлы в грунтах на территории г. Екатеринбурга // Известия Уральского государственного горного университета. — 2020. — Вып. 1(57). — С. 96–104. DOI: 10.21440/2307-2091-2020-1-96−104.

2. Писарева А. В., Белопухов С. Л., Савич В. И., Степанова Л. П., Гукалов В. В., Яковлева Е. В., Шайхиев И. Г. Миграция тяжелых металлов от очага загрязнения в зависимости от взаимосвязей в ландшафте // Вестник технологического университета. — 2017. — Т.20. — № 6. — С. 160–163.

3. Bou Kheir R., Greve M., Greve M., Peng Y., Shomar B. A Comparative GIS tree– pollution analysis between arsenic, chromium, mercury, and uranium contents in soils of urban and industrial regions in Qatar // Euro-Mediterranean Journal for Environmental Integration. 2019, no. 4(10). DOI: 0.1007/s41207-019-0099-8.

4. Mikkonen H. G., Dasika G., Drake J. A., Wallis C. J., Clarke B. O., Reichman S. M. Evaluation of environmental and anthropogenic influences on ambient background metal and metalloid concentration in soil // Science of the total environment. 2018, vol. 624, pp. 599–610. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2017.12.131.

5. Ali H., Khan E. What are heavy metals? Long-standing controversy over the scientific use of the term ‘heavy metals’—Proposal of a comprehensive definition // Toxicol. Environ. Chem. 2018, vol. 100, рр. 6–19. DOI: 10.1080/02772248.2017.1413652.

6. Dutta S., Mitra M., Agarwal P., Mahapatra K., De S., Sett U., Roy S. Oxidative and genotoxic damages in plants in response to heavy metal stress and maintenance of genome stability // Plant Signal Behav. 2018, vol. 13(8), e1460048. DOI: 10.1080/15592324.2018.1460048.

7. Li L., Zhang Y., Ippolito J. A., Xing W., Qiu K., Yang H. Lead smelting effects heavy metal concentrations in soils, wheat, and potentially humans // Environ. Pollut. 2020, vol. 257, 113614. DOI: 10.1016/j.envpol.2019.113641.

8. Ali H., Khan E., Ilahi I. Environmental Chemistry and Ecotoxicology of Hazardous Heavy Metals: Environmental Persistence, Toxicity, and Bioaccumulation // J. Chem. 2019, 6730305. DOI: 10.1155/2019/6730305.

9. Chiampo F., Zacchini M. (eds.). Environmental Restoration of Metal-Contaminated Soils // Special Issue published online in the open access journal Applied Sciences. 2021 (available at: http://www.mdpi.com). DOI: 10.3390/app112210805.

10. Koptsik G. N. Modern approaches to remediation of heavy metal polluted soils: A review // Eurasian Soil Science. 2014, vol. 47, рр. 707–722. DOI: 10.1134/ S1064229314070072.

11. Raffa C., Chiampo F., Shanthakumar S. Remediation of Metal/Metalloid-Polluted Soils: A Short Review // Appl. Sci. 2021, vol. 11, 4134. DOI: 10.3390/app11094134.

12. Nikovskaya G. N., Gruzina T. G., Ulberg Z. R., Koval L. A., Ovcharenko F. D. Novel Approaches to Bioremediation and Monitoring of Soils Contaminated by Heavy Metals and Radionuclides // Barany S. (ed.) Role of Interfaces in Environmental Protection. NATO Science Series (Series IV: Earth and Environmental Sciences). 2003, pp. 529–536. DOI: 10.1007/978-94-010-0183−0_33.

13. Singh A., Prasad S. M. Remediation of heavy metal contaminated ecosystem: an overview on technology advancement // Int. J. Environ. Sci. Technol. 2015, vol. 12, рр. 353–366. DOI: 10.1007/s13762−014−0542-y.

14. Ignatyeva M., Yurak V., Pustokhina N. Recultivation of post-mining disturbed land: review of content and comparative law and feasibility study // Resources. — 2020. — Т. 9. — № 6. — C. 73. DOI: 10.3390/RESOURCES9060073.

15. Ignatyeva M. N., Yurak V. V., Dushin A. V., Polyanskaya I. G. Assessing challenges and threats for balanced subsoil use // Environment, Development and Sustainability. 2021, vol. 23, no. 12, pp. 17904–17922. DOI: 10.1007/s10668-021-01420-1.

16. Amirahmadi E., Hojjati S. M., Kammann C., Ghorbani M., Biparva P. The Potential Effectiveness of Biochar Application to Reduce Soil Cd Bioavailability and Encourage Oak Seedling Growth // Appl. Sci. 2020, vol. 10, 3410. DOI: 10.3390/app10103410.

17. Dhaliwal S. S., Singh J., Taneja P. K., Mandal A. Remediation techniques for removal of heavy metals from the soil contaminated through different sources: A review // Environ. Sci. Pollut. Res. 2020, vol. 27, рр. 1319–1333. DOI: 10.1007/s11356-019-06967-1.

18. Yurak V., Apakashev R., Dushin A., Usmanov A., Lebzin M., Malyshev A. Testing of Natural Sorbents for the Assessment of Heavy Metal Ions’ Adsorption // Appl. Sci. 2021, vol. 11, 3723. DOI: 10.3390/app11083723.

19. Новоселова Л. Ю., Сироткина Е. Е., Погадаева Н. И. Утилизация осадков водоподготовки в процессах извлечения нефти из водных сред // Нефтехимия. — 2008. — Т. 48. — № 1. — С. 65–68.

20. Почтарёв А. Н., Кожемякин В. А. Оксихлорид алюминия — коагулянт из осадков водоподготовки // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. — 2011. – № 3 (39). — С. 38–40.

21. Новосёлова Л. Ю., Сироткина Е. Е. Структура сорбентов на основе термически активированного железосодержащего осадка водоподготовки // Журнал физической химии. — 2010. — Т. 84. — № 6. — С. 1146–1151.

22. Букин А. В., Моторин А. С., Игловиков А. В. Создание рекультивационной смеси на основе осадка водоподготовки Няганьской ГРЭС и торфа // Агропродовольственная политика России. — 2016. — № 12 (60). — С. 70–75.

23. Maharana M., Manna M., Sardar M., Sen S. Heavy Metal Removal by Low-Cost Adsorbents. In: Inamuddin, Ahamed M., Lichtfouse E., Asiri A. (eds). Green Adsorbents to Remove Metals, Dyes and Boron from Polluted Water // Environmental Chemistry for a Sustainable World. 2021, vol. 49. DOI: 10.1007/978−3-030−47400−3_10.

24. Нгуен Д. Т., Везенцев А. И., Соколовский П. В., Грейш А. А. Адсорбция глифосата на углеродсодержащих материалах // Журнал физической химии. — 2021. — Т. 95. — № 6. — С. 928–932. DOI: 10.31857/S0044453721060194.

25. Ракишев А. К., Веденяпина М. Д., Кулайшин С. А., Курилов Д. В. Адсорбция салициловой кислоты из водной среды на микропористом гранулированном активированном угле // Химия твердого топлива. — 2021. — № 2. — С. 54–59. DOI: 10.31857/ S0023117721020067.

26. Шумилова М. А., Петров В. Г. Адсорбция ионов цинка почвами Удмуртской республики // Теоретическая и прикладная экология. — 2021. — № 1. — С. 73–78. DOI: 10.25750/1995-4301-2021-1-073−078.

27. Гуркова Е. А., Аюнова О. Д., Волобаев А. А., Кальная О. И. К вопросу об оценке загрязнения почв отходами горно-обогатительного комбината «Тувакобальт» (Тува) // Устойчивое развитие горных территорий. — 2019. — Т.11. — № 2(40). — С. 142–155. DOI: 10.21177/1998-4502-2019-11−2-142−155.