Дипломная работа: Использование комплексов полиамфолита этиламнокротонатаакриловой кислоты с поверхностно-активными веществами для извлечения 90Sr
Также для увеличения агрономически ценных элементов структуры почвы применяются полимерные композиты на основе лигносульфонатов (ЛС), являющихся крупнотоннажными отходами целлюлозно-бумажного производства.
Показано, что ЛС в чистом виде и в составе с дефекатом, лигнином и соломой, также являющихся отходами производства, обеспечивают существенное увеличение выхода водопрочных почвенных агрегатов, способных удерживать в своих компартментах (порах) ионы питательных солей и воду, тем самым, оптимизацию пищевого и водно-воздушного режима почв.
В настоящее время на основе ЛС создаются композиции структурообразователей, пригодных для использования на почвах различного генезиса; исследуются механизмы взаимодействия полимеров с минеральными дисперсиями почв.
Взаимодействие поликатиона и полианиона на поверхности почвы приводит к образованию водонерастворимого, водо- и газопроницаемого полимерно-почвенного слоя. Схематически фрагмент частицы полиэлектролитного комплекса (ПЭК) можно представить следующим образом:
Участок А представляет собой упорядоченную последовательность противоположно заряженных звеньев, образовавших друг с другом ионные силы. Эти участки гидрофобны, они обусловливают нерастворимость в воде. Области Б обеспечивают способность нерастворимых ПЭК обратимо набухать в воде. Наличие в структуре ПЭК гидрофильных мостиков приводит к наиболее оптимальному скреплению частиц почвы. В набухшем состоянии участки А и Б находятся в динамическом равновесии, вследствие чего влажная почвенно-полимерная корка имеет возможность восстанавливать незначительные нарушения типа трещин и разломов.
Авторами проведено исследование на примере поликомплексной композиции, включающей гидролизованный полиакрилонитрил (ГИПАН), поли-N, N диметилдиаллиламмонийхлорид (ВПК-402) и соль щелочного металла (NaCl, KNO3 и др.). Данная композиция может производиться в готовом к применению виде (1-2% раствор по полимерам и ~5% раствор по соли) или в виде концентрата (~20% раствор по полимеру). Установлено, что устойчивость концентрата зависит от содержания минеральных солей в исходных продуктах. Введение избытка NaCl в концентрат приводит к расслоению системы из-за полной диссоциации ПЭК на отдельные полиэлектролиты, не совместимые друг с другом в водной среде в отсутствие интерполиэлектролитного взаимодействия и выделившиеся в отдельные фазы. Очистка концентрата от избытка NaCl методом диализа позволяет вновь получить однофазную систему, устойчивую к разбавлению вплоть до концентрации ПЭК ~7%.
Для нанесения на закрепляемую поверхность используют 1-2% раствор поликомплексной композиции, представляющий собой бесцветную жидкость с вязкостью при 200С – 20 сП, плотностью – 1,06 г/см3, температурой замерзания – минус 2-50С. Раствор сохраняет свои свойства после замораживания до -550С и последующего размораживания. После нанесения препарата на грунт в количестве 1,0 л/м2 на поверхности образуется почвенно-полимерная корка толщиной 3-5 см. Данные об устойчивости покрытия к ветру со скоростью 12,5 м/с приведены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты испытания защитных покрытий в аэродинамической установке
| Характеристика покрытия | Средняя величина пылеуноса, % |
|
2. песок, закрепленный ПЭК (конц. 2%) 3. песок, закрепленный ПЭК (конц. 1%) 4. песок, закрепленный ПЭК (конц. 0,5%) 5. песок, закрепленный ПЭК выдержавшим замораживание до -550С |
74,0±14 0,15-0,30±0,10 0,14±0,03 0,25±0,2 0,30±0,10 |
Длительное наблюдение (более 1 года) за обработанными участками показало, что покрытие выдерживают воздействие атмосферных осадков в количестве 550-650 мм., сезонные колебания температуры от +300С до -300С, порывы ветра более 20 м/с. Установлено, также, что препарат нетоксичен, экологически безвреден. Данная поликомплексная композиция показала также хорошие результаты в мелиоративном и дорожном строительстве, при закреплении различных сыпучих и пылящих материалов.
Применение поликомплексной композиции целесообразно не только для структурирования грунтов, но и в тех случаях, когда необходимо зафиксировать на поверхности грунта загрязняющие окружающую среду вещества в мелкодисперсной форме.
Одной из задач общей проблемы искусственного структурообразования почв является получение водопрочных агрегатов с гидрофобными свойствами при оптимальном соотношении фракции разного размера. Такие агрегаты препятствуют образованию почвенной корки, противостоят водной, ветровой и ирригационной эрозии. Они могут образовывать экраны, предотвращающие подъем водно-растительных солей из подпахотных слоев, снижают непроизводительное физическое испарение воды из почвы.
На возможность искусственного структурообразования с одновременной гидрофобизацией почвенных агрегатов указано ранее в работе, в которой был предложен вариант решения этой проблемы путем внесения в почву двух химических препаратов: полимера – структурообразователя и гидрофобизатора поверхностно-активного вещества (ПАВ), не обладающего значительным структурообразующим действием. Однако такой способ, предполагающий последовательное внесение растворов двух препаратов с промежуточным подсушиванием обрабатываемой почвы, технологически сложен, требует больших затрат, экономически не эффективен. Целесообразнее использовать одно вещество, обладающее как структурообразующим, так и гидрофобизирующим действием. Для этой цели в работе применен стиромаль – сополимер стирола и малеинового альдегида. При острутурировании дерново-подзолистых почв и солонцов раствором гидролизованного стиромаля значительно возрастает содержание агрономических ценных агрегатов от 1 до 7 мм, обуславливающих устойчивость к коркообразованию, к водной, ветровой и ирригационной эрозии. Показано, что техническая эффективность гидролизованного стиромаля при обработке им исследуемых почв находится на уровне лучших известных структурообразователей и оптимальная доза внесения составляет 0,05%. Также, исследуемый препарат резко снижает скорость и высоту капиллярного подъема воды, ее испарение из почвы независимо от влажности воздуха и может быть эффективен при борьбе с непроизводительными потерями влаги на испарение, с почвенной коркой, водной, ветровой и ирригационной эрозией. Повышенное содержание хлорида кальция в почве снижает его эффективность.
В работе для закрепления и мелиорации засоленных песчаных грунтов была использована композиция ацетонформальдегидной смолы (АФС) с глобулярным белком – серицином (СР), который был выделен в виде отхода при размотке кокона натурального шелка, в присутствии неорганических солей.
Опыты пескозакрепления проводили непосредственно путем нанесения композиции АФС на поверхность модельных систем засоленных песчаных грунтов. Для приготовления этой модели использован барханный песок, который после промывки и просева через сито 0,125 см был тщательно перемешан с растворами солей. После сушки образцов содержание солей в грунтах составляло около 2%., что является удовлетворительным для прорастания растений. Средняя толщина закрепленного слоя грунта составляла 0,1 см.
Закрепленный посредством композиции АФС и СР засоленный песчаный грунт характеризуется определенной прочностью. Его устойчивость к внешним нагрузкам сильно зависит от концентрации воды в исходной композиции. Увеличение количества воды в композиции приводит к снижению прочности закрепленного слоя грунта. Однако снижение прочности закрепителя заметно нивелируется в присутствии смеси солей в грунтах. В целом выявленные прочностные характеристики этих образцов удовлетворяют требованиям к закрепителям песчаных грунтов.
Для анализа эффективности мелиоративного действия композиции АФС с СР авторы проводили сравнительное исследование прорастания пшеницы. Негативное влияние неорганических солей на динамику всхожести семян пшеницы обнаружено в отсутствии СР в композиции. Однако, данный отрицательный эффект не только устраняется в присутствии СР, но и приводит к получению положительных результатов, свидетельствующих о биоактивном действии данной композиции. Это в определенной степени повышает эффективность пескозакрепителя – биокомпозиции АФС при выполнении его функции мелиората грунта.
2.2 Использование интерполимерных комплексов для предотвращения пылевой миграции радионуклидов на территории Семипалатинского полигона
Основными источниками радиоактивного загрязнения окружающей среды Семипалатинского испытательного полигона (СИП) явились ядерные испытания. Радионуклиды, образовавшиеся при ядерных взрывах за весь период испытаний, выпали на территорию СИП и за его пределами. В настоящее время основными механизмами миграции радионуклидов в окружающей среде являются ветровой и водный перенос. В условиях (СИП) оба вида радионуклидного переноса являются взаимодополняющими. Так, на территории бывшей испытательной площадки «Дегелен» наблюдаются водопроявления – приштольневые ручьи, несущие в своих водах большое количество радионуклидов. Многие из этих ручьев пересыхают в летний период, оставляя при этом переносимые водой радионуклиды в поверхностных слоях почвы своих русел, что способствует увеличению распространения радионуклидов по территории региона посредством пылевого переноса. При возобновлении же водотока радиоактивные элементы, находящиеся в поверхностных слоях почвы русел ручьев, вновь вовлекаются в движение воды и, вместе с выносимыми из штолен радионуклидами, переносятся уже на более значительные расстояния.
Кроме того, наличие водопритока благоприятно сказывается на развитии растительности, особенно на низменных территориях. Таким образом, наличие радиоактивного загрязнения (причем не только в воде, но, как следствие этого, и на местности, где пролегают русла водотоков) может повлечь за собой, с большой долей вероятности, проникновение радионуклидов в пищевую цепочку «вода (почва) – растения животные - человек».
Механизмы ветрового переноса и пылеобразования: Механизм ветрового пылеобразования заключается в следующем [[11]]: при небольшой скорости ветра (2-3 м/с) наиболее мелкие радиоактивные частицы пыли поднимаются с поверхности почвы в результате стохастического прорыва турбулентных вихрей к поверхности земли. При указанной скорости ветра эта пыль не оседает под действием силы тяжести, размеры таких пылевых частиц в основном составляют сотые и десятые доли микрометра, достигая 1-2 мкм. Более крупные частицы радиоактивной пыли слишком тяжелы, чтобы долго удерживаться в воздухе, они поднимаются турбулентными вихрями в воздух и снова оседают, передвигаясь в ветровом потоке скачкообразно. Это так называемый эффект сальтации. Сальтация является основным механизмом пылеобразования при увеличении скорости ветра до значений, при которых начинается ветровая эрозия. Размеры пылевых частиц при этом возрастают до 100 мкм. При падении частицы иногда рикошетируют от поверхности почвы, повторяя свой прыжок, или же передают свой импульс другим частицам, которые начинают в свою очередь подскакивать и перекатываться. При большой скорости ветра катящиеся частицы, сталкиваясь с более крупными, выступающими над поверхностью, могут в благоприятном случае получить сильный направленный вверх импульс и начать подскакивать. Если сравнительно крупные частицы при движении по поверхности земли наталкиваются на частицы более мелкой фракции, то это вызывает вовлечение в процесс дефляции практически всех последних. Таким образом, процесс переноса пыли ветром при эрозии почвы носит цепной характер.
Воспрепятствовать процессу вторичного загрязнения территории СИП и прилегающих к нему районов можно несколькими способами. Один из них заключается в снятии верхнего слоя почвы и вывозом его за пределы региона для захоронения, как в свое время это было сделано в Японии после аварии на ядерном реакторе. Но этот способ неприемлем в случае СИП, в связи с очень большой площадью, подлежащей обработке. В этом случае для предотвращения вторичного загрязнения обработанных территории необходимо одновременно снимать слой почвы практически по всей территории полигона. Возможность этого представляется маловероятной. Другой способ заключается в обработке зараженных территорий интерполимерными комплексами, как это было сделано на части территории радиоактивных выпадений после аварии на Чернобыльской АЭС. Тогда для осаждения пыли были использованы интерполимерные комплексы, состоящие из гидролизованного полиакрилонитрила (коммерческое название ГИПАН) и полидиметилдиаллиламмоний хлорид (коммерческое название ВПК-402). Суть действия этих и подобных полимеров заключается в том, что это полимерные композиты способны структурировать и агрегировать почву с образованием более крупных частиц. Агрегация происходит в результате образования на поверхности частиц почвы тонких пленок интерполимерных комплексов. При обработке почвы интерполимерными комплексами значительно возрастает доля фракции с диаметром 5 мм и средняя величина эрозии агрегированной почвы уменьшается с 74% до 1% при скорости ветра 15 м/сек.
В настоящее время в Институте радиационной безопасности и экологии НЯЦ РК проводятся лабораторные исследования по изучению возможности управления миграцией радионуклидов в почве с помощью интерполимерных комплексов. В процессе изучения структурирующей и агрегирующей способностей интерполимерных комплексов было установлено, что в случае фракции, размер которых меньше 0,75 мм после заливки полимеров образуется плотная корка (агрегация), толщина которой равна глубине проникновения полимера в пробу. Для фракции, размер которых равен или больше 1 мм отмечается слипание почвенных частиц, в результате чего образуются частицы более крупных фракции, размером до 5 мм (структурирование).
Предварительное опробование гелей полиакриловой кислоты и поливинилового эфира этиленгликоля в полевых условиях на площадке «Опытное поле» показало перспективность их использования для управления процессами миграции радионуклидов в окружающей среде. Различие радиационных параметров на опытных площадках до и после обработки полимерами составляет до нескольких десятков раз. Так, на одной из 16-ти площадок, обработанный комплексом полиакриловая кислота - поливиниловый эфир этиленгликоля, до заливки полимеров наблюдалось 30 β-част/см2*мин, а после обработки уже 420 β-част/см2*мин.
Особый интерес представляют ИПК с участием нового полимерного бетаина ЭАК/АК, свойства которых изучены в растворах.
Для предотвращения ветровой и водной эрозии радиационно зараженных почв бывшего СИП также были использованы интерполимерные комплексы с участием полиамфолита ЭАК АК ЭАК АК–ПЭГ и ЭАК/АКПДМДААХ и их индивидуальные компоненты – ЭАК АК, ПДМДААХ и ПЭГ.
Определены оптимальные условия обработки подготовленной для анализа почвы растворами полимеров и их комплексов:
1) концентрации растворов полимеров и их комплексов;
2) метод обработки почвы (разбрызгивание или залив);
3) соотношение полимерных компонентов в комплексах:
4) рН растворов поликомплексов;
5) последовательность обработки почвы растворами индивидуальных полимеров или готового комплекса.
Полученные результаты суммировались следующим образом:
1. Индивидуальные полимеры (ПЭГ, ПДМДААХ и ЭАК/АК) как и комплексы ЭАК АК-ПЭГ и ЭАК АК-ПДМДААХ обнаруживают структурирующий эффект. Так, при обработке почвы раствором полиамфолита ЭАК АК наблюдается увеличение фракции с содержанием частиц диаметром >0,25 мм от 37,3% (контроль) до 51,3%. Заметно увеличение и других фракции (10 мм – до 5,2%, 7мм – до 4,7%, 5 мм – до 1,7% 2 и 1 мм – до 0,3% и 2,7% соответственно), что свидетельствует об агрегировании частиц. Но наилучшие результаты получены при использовании стехиометрического комплекса ЭАК АК: ПЭГ =1:1 при концентрации раствора С=10-2 моль/л, рН=3,0 и методе залива. Наблюдается увеличение фракции с содержанием частиц диаметром >0,25 мм от 37,3% (контроль) до 70,0% (разбрызгивание) и 83,9% (залив).
2. Обработку почвы следует производить раствором готового полимерного комплекса, а не последовательной обработкой почвы раствором сначала одного, а затем второго.
