Применение техногенных отходов в создании композитных сорбентов тяжелых металлов для обеспечения экологической устойчивости почвенных систем

Интенсивное развитие горно-металлургической промышленности сопровождается накоплением многотоннажных техногенных отходов, способных вызывать деградацию почв и масштабные экологические риски. В рамках концепции «нулевого уровня отходов» рассмотрена актуальная проблема трансформации промышленных отходов в полезный ресурс для селективной иммобилизации токсичных тяжелых металлов. Объекты исследования – два типа техногенного сырья: красный шлам и осадки водоподготовки фильтровальных станций. Цель работы – анализ сорбционного потенциала техногенных отходов в обеспечении контроля миграции тяжелых металлов, включая изучение кинетики, механизма и термодинамических параметров адсорбции. В работе использован комплекс физико-химических методов исследования: рентгенофлуоресцентный анализ, рентгеновская дифрактометрия, атомно-эмиссионная спектрометрия, метод определения величины удельной поверхности Брунауэра – Эммета – Теллера. Экспериментально подтвержден синергетический эффект комбинирования промышленных отходов с природным торфом в составе композитных сорбентов тяжелых металлов. Такой подход к утилизации техногенного сырья соответствует принципам «зеленых» технологий и способен обеспечить эффективную ремедиацию нарушенных земель. Установлено, что извлечение ионов меди, свинца, цинка, никеля и мышьяка из модельных растворов опытными композитными сорбентами составляет от 75 до 100%. Комплексный термодинамический и кинетический анализ показал, что адсорбция протекает в режиме смешанной диффузии с преобладанием хемосорбции и ионообменного осаждения. Лимитирующей стадией процесса является как внешний массоперенос, так и внутренняя диффузия в порах сорбента. На основе линейной модели Ленгмюра определены величины максимальной адсорбции и константы равновесия. 

Апакашев Р. А., Малышев А. Н., Лебзин М. С., Курмачева В. С. Применение техногенных отходов в создании композитных сорбентов тяжелых металлов для обеспечения экологической устойчивости почвенных систем // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 11. – С. 78–94. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_11_0_78.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 26-24-20058, https://rscf.ru/project/26-24-20058/, при финансовой поддержке Правительства Свердловской области.

Апакашев Рафаил Абдрахманович¹ — д-р хим. наук, профессор, профессор, e-mail: Apakashev.R@m.ursmu.ru, ORCID ID: 0000-0002-9006-3667, 
Малышев Александр Николаевич¹ — инженер-исследователь, e-mail: malyshev.k1b@gmail.com, ORCID ID: 0000-0002-3104-1687,
Лебзин Максим Сергеевич¹ — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, e-mail: az_ma@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-5959-135X, 
Курмачева Вера Сергеевна¹ — магистрант, e-mail: verakurmacheva55@mail.ru, ORCID ID: 0000-0005-5925-021X,
¹ Уральский государственный горный университет.

Апакашев Р.А., e-mail: Apakashev.R@m.ursmu.ru.

1. Zhao L., Wang Z., Kong L., Zhao Z., Geng B., Gu S., Li Y., Han X., Liu S., Li B., Zhang J., Zhao M. Risk assessment of soil heavy metals in mining activity areas: a case study in Eastern Shandong Province, China // Environmental Earth Sciences. 2023, vol. 82, article 513. DOI: 10.1007/s12665-023-11204-7. 

2. Shentu J., Fang Y., Wang Y., Cui Y., Zhu M. Bioaccessibility and reliable human health risk assessment of heavy metals in typical abandoned industrial sites of southeastern China // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2023, vol. 256, article 114870. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2023.114870. 

3. Raffa C. M., Chiampo F., Shanthakumar S. Remediation of metal/metalloid-polluted soils: A short review // Applied Sciences. 2021, vol. 11, no. 9, article 4134. DOI: 10.3390/app11094134. 

4. Song P., Xu D., Yue J., Ma Y., Dong S., Feng J. Recent advances in soil remediation technology for heavy metal contaminated sites: A critical review // Science of the Total Environment. 2022, vol. 838, no. 3, article 156417. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.156417. 

5. Ebelegi A. N., Ayawei N., Wankasi D. Interpretation of Adsorption thermodynamics and kinetics // Open Journal of Physical Chemistry. 2020, vol. 10, no. 3, pp. 166—182. DOI: 10.4236/ojpc.2020.103010.

6. Kwikima M. M., Chebude Y., Meshesha B. T. Kinetics, adsorption isotherms, thermodynamics, and desorption studies of cadmium removal from aqueous solutions using bamboo sawdust/rice husk biochar // Biomass Conversion and Biorefinery. 2023, vol. 13, no. 11, pp. 9367—9379. DOI: 10.1007/s13399-022-03472-3.

7. Li G., Liu J., Yi L., Luo J., Jiang T. Bauxite residue (red mud) treatment: Current situation and promising solution // Science of the Total Environment. 2024, vol. 948, article 174757. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.174757.

8. Cui W., Cui Q., Dong X., Liu J., Song K., Xie M., Yao X. Current research status and emerging trends in utilization of red mud resources: A study based on bibliometric network analysis // Construction and Building Materials. 2024, vol. 442, article 137605. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.137605.

9. Meshram N., Lini Dev K. Sustainable utilization of red mud as recycled waste: A critical review and future research directions // Indian Geotechnical Journal. 2026, vol. 56, pp. 408—423. DOI: 10.1007/s40098-024-00997-4.

10. Rajković M., Jelić I., Janković M., Antonijević D., Šljivić-Ivanović M. Red mud as an adsorbent for hazardous metal ions: Trends in utilization // Toxics. 2025, no. 2, article 107. DOI: 10.3390/toxics13020107.

11. 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.

12. Дударев В. И., Филатова Е. Г. Исследование адсорбции токсичных ионов электрогенерируемым гиббситом // Физикохимия поверхности и защита материалов. — 2021. — T. 57. — № 2. — С. 166—171. DOI: 10.31857/S0044185621020054.

13. Маслова М. В., Евстропова П. Е. Кинетика сорбции катионов кадмия и кобальта сорбентом на основе фосфата титана // Журнал физической химии. — 2021. — Т. 95. — № 10. — С. 1585—1590. DOI: 10.31857/S0044453721100198.

14. Yakkerimath S., Kulkarni R. M., Divekar S. V., Chate V. R., Purandara Bekal K. Kinetic, adsorption, and thermodynamic study of removal of Cr6+ by iron-rich natural clay minerals // Desalination and Water Treatment. 2024, vol. 318, article 100302. DOI: 10.1016/j.dwt.2024.100302.

15. Маслова М. В., Иваненко В. И., Герасимова Л. Г. Влияние температуры на кинетику сорбции катионов стронция сорбентом на основе фосфата титана // Журнал физической химии. — 2019. — T. 93. — № 7. — С. 1002—1008. DOI: 10.1134/S0044453719060219.

16. Тимофеев К. Л., Мальцев Г. И., Свиридов А. В. Кинетика сорбции ионов индия, железа и цинка на модифицированном монтмориллоните // Вестник Московского университета. Серия 2. Химия. — 2017. — Т. 58. — № 3. — С. 135—142.

17. Teğin İ., Batur M. Ş., Yavuz Ö., Saka C. Removal of Cu (II), Pb (II) and Cd (II) metal ions with modified clay composite: kinetics, isotherms and thermodynamics studies // International Journal of Environmental Science and Technology. 2023, vol. 20, pp. 1341—1356. DOI: 10.1007/s13762-022-04028-8.

18. Смольянинова В. Н. Новые минералы. LXXIII // Записки Российского минералогического общества. — 2019. — № 6. — С. 42. DOI: 10.30695/zrmo/2019.1486.02.

19. Baigorria E., Cano L., Sapag K., Alvarez V. Removal efficiency of As(III) from aqueous solutions using natural and Fe(III) modified bentonites // Environmental Technology. 2022, vol. 43, no. 24, pp. 3728—3741. DOI: 10.1080/09593330.2021.1934559.

20. Aftabtalab A., Rinklebe J., Shaheen S. M., Niazi N. K., Moreno-Jiménez E., Schaller J., Knorr K.-H. Review on the interactions of Arsenic, Iron (Oxy)(Hydr)Oxides, and dissolved organic matter in soils, sediments, and groundwater in a ternary system // Chemosphere. 2022, vol. 286, article 131790. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.131790.