Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ЦЕОЛИТОВЫХ ТУФОВ В ГЕОХИМИЧЕСКИХ БАРЬЕРАХ

Дампилова Б.В. 1 Зонхоева Э.Л. 1
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геологический институт СО РАН
Нами исследована сорбция ионов редкоземельных элементов клиноптилолитовым туфом Холинского месторождения (Забайкалье) из модельных растворов и техногенных вод. Селективность цеолитового туфа находится в линейной зависимости от ионного радиуса редкоземельных элементов. Редкоземельные элементы сорбируются в виде катионов без гидратной оболочки. Ионы редкоземельных элементов сорбировались туфом из смесей состава La3+-Pr3+-Yb3+ и La3+-Се3+-Pr3+. Парные и тройные взаимодействия между редкоземельными элементами в смешанных растворах способствуют повышению степени их извлечения. Сорбент селективно извлекает празеодим из двойных и тройных смесей в системе La3+-Pr3+-Yb3+ - туф. Наибольшая емкость для ионов лантана получена из смеси, содержащей равные доли компонентов. Для ионов иттербия получено самое низкое значение емкости цеолитого туфа. Туф преимущественно извлекает церий из двойных и тройных смесей в системе La3+- Се3+-Pr3+ - туф. Высокая избирательность и низкая десорбция ионов редкоземельных элементов из фазы цеолитового туфа могут быть использованы для создания геохимического барьера.
сорбция
цеолиты
редкоземельные элементы
1. Брежнева Н. Е. Изучение ионообменных свойств цеолитов по отношению к радиоактивным редкоземельным элементам // Радиохимия. - 1971. - № 13. - С. 411-416.
2. Зонхоева Э.Л., Астахов Н.Е., Бартанова С.В., Дампилова Б.В. Сорбция урана на природных цеолитсодержащих туфах //Новые технологии добычи и переработки природного сырья в условиях экологических ограничений: материалы всероссийской науч.-практ. конф. с международным участием (Улан-Удэ, 26-30 июля 2004г.). - Улан-Удэ, 2004. - С. 37-39.
3. Максимович Н. Г., Хайрулина Е. А. Геохимические барьеры и охрана окружающей среды: учеб. пособие. - Пермь: Перм. гос. ун-т., 2011. - 248 с.
4. Месторождения Забайкалья: в 2 кн. - М.: Геоинформмарк, 1995. - С. 234-239.
5. Рыбальский Н. Г. Экологические аспекты экспертизы изобретений: справочник эксперта и изобретателя. - М.: ВНИИПИ, 1989. - Ч. 1. - С. 139.
6. Тайсаев Т. Т. Биогеохимическая индикация таежно-мерзлотных ландшафтов ураново-рудных полей Витимского плоскогорья // Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири: материалы науч. конф., посвящ. 100-лет. проф. Томского политехн. ун-та П. А. Удодова (Томск, 25-30 окт. 2003 г.). - Томск, 2003. - С. 202-206.
Для эффективной защиты окружающей среды от загрязнений используют искусственные геохимические барьеры, применение которых позволяет отказаться от строительства сложных очистных сооружений и проведения дорогостоящих природоохранных мероприятий. Создание искусственных геохимических барьеров с использованием торфа, известняка и других материалов приводит к естественной трансформации загрязняющих веществ в неопасные формы или их целенаправленной концентрации на локальных участках [3].

Геохимические барьеры находят применение при добыче угля, нефти, разработке и промышленном освоении месторождений и др. Так, опытно-промышленная добыча  ура­на способом подземного выщелачивания на Хиагдинском уран-скандий-редкоземельном месторождении привела к  загрязнению окружающей среды: в водах и растениях вокруг разработки обнаружены аномальные  содержания урана и РЗЭ [6]. Редкоземельные элементы, так же, как уран, обладают высокой токсичностью и антропогенной активностью. Предельно допустимые концентрации церия в пресной воде составляют 0,05 мг/л, лантана 0,01мг/л [5].

В качестве материала для создания искусственного геохимического барьера на Хиагдинском месторождении могут быть использованы природные цеолитовые туфы. На территории Забайкалья находится до 74 % ресурсов цеолитовых пород России, из них к наиболее крупным цеолитоносным районам относятся Холинский, Шивыртуйский, Бадинский и Могзонский месторождения [4]. Преимуществами применения цеолитовых туфов являются дешевизна, расположение в непосредственной близости к месту потребления. Однако использование цеолитового туфа в качестве материала для геохимического барьера на путях миграции редкоземельных элементов сдерживается отсутствием теоретической основы их практического применения, поскольку моделирование барьера базируется на изучении сорбционных свойств. Ранее нами исследована сорбция уранил-ионов клиноптилолитовыми туфами Холинского месторождения [2].

Целью данной работы являлось исследование возможности использования природных клиноптилолитовых туфов Холинского месторождения для извлечения редкоземельных элементов из модельных растворов и техногенной воды.

В статических условиях проведено сравнительное изучение сорбции ионов редкоземельных элементов - La3+, Nd3+, Er3+, Yb3+ из индивидуальных растворов сульфатов с концентрацией РЗЭ 0,5 мг/мл на цеолитовом туфе при соотношении твердой и жидкой фаз 1:50, диаметра зерен 1-2 мм и времени контакта 24 ч (рис. 1).

Рисунок  1. Зависимость емкости цеолитового туфа от ионного радиуса РЗЭ

Емкость туфа снижается  в ряду La3+ > Nd3+ > Er3+ > Yb3+, который соответствует уменьшению радиуса редкоземельного элемента и увеличению его гидратационной способности, что позволяет предположить сорбцию РЗЭ в виде катионов без гидратной оболочки. Аналогичный ряд селективности La3+ > Се3+ > Pr3+ > Nd3+ > Pm3+ > Sm3+  получен на синтетическом цеолите [1], который авторы  связали с уменьшением ионного радиуса РЗЭ.

Сорбция ионов РЗЭ клиноптилолитовым туфом изучена из смешанных 3-компонентных растворов  состава La3+-Pr3+-Yb3+  и La3+-Се3+-Pr3+ на зернах  туфа с d=1-2 мм, соотношении твердой и жидкой фаз 1:100, времени контакта 24 ч. Суммарная концентрация исходных смешанных растворов сульфатов La3+ , Pr3+,  Yb3+ была постоянной и равной 0,03 н., при этом соблюдалось условие х1 + х2  + х3=1, где х1 - La3+, х2 - Pr3+, х3 - Yb3+. Состав смесей, значения емкости туфа по исследованным компонентам (ЕLa, ЕPr, ЕYb) и суммарная емкость (Есумм) приведены в таблице 1.

Таблица 1. Извлечение туфом La3+1), Pr3+  (х2), Yb3+3) из смешанных растворов

х1

х2

х3

ЕLa

ЕPr

ЕYb

Есумм

1

1

0

0

2,61

-

-

2,61

2

0

1

0

-

2,45

-

2,45

3

0

0

1

-

-

2,22

2,22

4

0,50

0,50

0

1,48

1,60

-

3,08

5

0,50

0

0,50

1,83

-

1,08

2,92

6

0

0,50

0,50

-

1,88

1,05

2,93

7

0,25

0,75

0

0,70

2,15

-

2,85

8

0,25

0

0,75

1,02

-

1,65

2,67

9

0

0,25

0,75

-

1,27

1,55

2,82

10

0,75

0,25

0

1,97

0,97

-

2,93

11

0,75

0

0,25

2,23

-

0,41

2,65

12

0

0,75

0,25

-

2,05

0,39

2,43

13

0,50

0,25

0,25

0,58

0,97

0,43

2,98

14

0,25

0,50

0,25

0,82

1,65

0,55

3,02

15

0,25

0,25

0,50

0,97

1,01

1,00

2,98

16

0,33

0,33

0,33

1,32

1,25

0,75

3,32

При извлечении ионов металлов из индивидуальных растворов емкость на туфе  изменяется в ряду La3+ > Pr3+ > Yb3+, который согласуется с указанным выше рядом селективности туфа по отношению к РЗЭ. Из двойных и тройных смесей туф наиболее селективно извлекает  празеодим, однако из смеси, содержащей равные доли компонентов, емкость по ионам лантана наибольшая.  Во всех экспериментах самое низкое значение емкости получено по иттербию, относящемуся к тяжелым РЗЭ. Из сравнения суммарных значений емкости видно, что извлечение ионов металлов из индивидуальных растворов (2,22-2,61 мг/г) ниже, чем из двойных смесей (2,92-3,08 мг/г). Максимальная суммарная емкость (3,32 мг/г) цеолитового туфа достигается из тройной смеси, содержащей равные доли компонентов, т.е. взаимодействие металлов в тройной смеси способствует некоторому повышению степени их извлечения.

Извлечение ионов из смеси, содержащей легкие РЗЭ (La3+-Ce3+-Pr3+), производилось из 0,003н растворов сульфатов (табл. 2). Остальные условия проведения опытов аналогичны предыдущему.

При извлечении ионов металлов из индивидуальных растворов емкость на туфе  изменяется в ряду La3+ > Ce3+ > Pr3+. Из двойных и тройных смесей преимущественно извлекается церий вследствие его склонности к гидролизу. Из смешанных растворов емкость туфа  по ионам лантана и празеодима незначительно различается ввиду близости их свойств.

Таблица 2. Извлечение туфом La3+1), Се3+  (х2), Pr3+3) из смешанных растворов

х1

х2

х3

ЕLa

ЕCe

ЕPr

Есумм

1

1

0

0

0,30

-

-

0,30

2

0

1

0

-

0,21

-

0,21

3

0

0

1

-

-

0,18

0,18

4

0,50

0,50

0

0,08

0,15

-

0,23

5

0,50

0

0,50

0,12

-

0,11

0,23

6

0

0,50

0,50

-

0,16

0,10

0,26

7

0,25

0,75

0

0,08

0,18

-

0,26

8

0,25

0

0,75

0,08

-

0,14

0,22

9

0

0,25

0,75

-

0,13

0,15

0,28

10

0,75

0,25

0

0,11

0,10

-

0,21

11

0,75

0

0,25

0,16

-

0,08

0,24

12

0

0,75

0,25

-

0,16

0,09

0,25

13

0,50

0,25

0,25

0,09

0,12

0,09

0,30

14

0,25

0,50

0,25

0,07

0,13

0,08

0,28

15

0,25

0,25

0,50

0,07

0,13

0,12

0,32

16

0,33

0,33

0,33

0,08

0,14

0,09

0,31

С целью определения вымывания ионов РЗЭ атмосферными осадками в геохимических барьерах проводилась обработка цеолитового туфа, содержащего лантан в количестве 5 мг/г, дистиллированной водой в течение 6 ч (рис. 2). Максимальная десорбция ионов лантана из фазы цеолитового туфа не превышает 0,1 % от общего содержания, что свидетельствует о прочной связи ионов лантана с матрицей сорбента.

Рисунок 2. Десорбция ионов лантана из фазы цеолитового туфа

Изучена сорбция на туфе смеси РЗЭ из техногенных вод Хиагдинского уран-скандий-редкоземельного месторождения. Техногенная вода представляла собой сернокислотный раствор (рН=5) из  наблюдательной скважины, обеспечивающей контроль и оценку состояния подземных вод. Концентрация РЗЭ в смеси  составляла 0,51 мг/л, что превышает ПДК по церию в 10 раз или по лантану в 50 раз. При пропускании 1 л техногенной воды через колонку с клиноптилолитовым туфом извлечено церия - 0,27 мг/л, лантана - 0,13 мг/л, иттрия - 0,10 мг/л, иттербия - 0,05 мг/л. Сумма извлеченных РЗЭ составила 0,51 мг, что соответствует их полному поглощению туфом.

Таким образом, клиноптилолитовый туф проявляет селективность к ионам редкоземельных элементов, которая находится в линейной зависимости от их ионного радиуса. В смешанных модельных растворах парные и тройные взаимодействия между редкоземельными элементами способствуют повышению степени их извлечения. Высокая селективность туфа к ионам РЗЭ, а также низкая их десорбируемость из фазы сорбента могут быть использованы для создания геохимического барьера.

Рецензенты:

  • Базарова Ж.Г., д.х.н., профессор, зав. лабораторией оксидных систем, Байкальский институт природопользования СО РАН, г. Улан-Удэ.
  • Хахинов В.В., д.х.н., профессор, зав. кафедрой органической химии, Бурятский государственный университет Министерства образования РФ, г. Улан-Удэ.

Библиографическая ссылка

Дампилова Б.В., Зонхоева Э.Л. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ЦЕОЛИТОВЫХ ТУФОВ В ГЕОХИМИЧЕСКИХ БАРЬЕРАХ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=5460 (дата обращения: 09.05.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074