РЕМЕДИАЦИЯ ПОЧВ ЦЕНТРАЛЬНОГО КАЗАХСТАНА, ПОДВЕРЖЕННЫХ ВЛИЯНИЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Ефремов С. А., Центр физико-химических методов исследования и анализа Казахского национального университета имени аль-Фараби, Алматы, Казахстан

25 января 2005 года Указом Президента Республики Казахстан № 1513 утверждена Государственная программа «Развитие космической деятельности в Республике Казахстан на 2005–2007 годы», в которой особое внимание уделено созданию системы экологической безопасности эксплуатации ракетно-космических комплексов.

На территории Республики Казахстан базируется ракетно-космический комплекс «Байконур». Вследствие технологических и аварийных проливов жидкого ракетного топлива вблизи пусковых площадок и в подтрассовых зонах остро стоит проблема загрязнения окружающей среды компонентами жидкого ракетного топлива (КЖРТ) и безопасности жизнедеятельности вблизи позиционных районов, поскольку КЖРТ представляют собой канцерогенно-мутагенные соединения. В связи с этим необходимо проведение комплекса работ по локализации и дезактивации КЖРТ, попадающих в биоту.

В местах падения (МП) отделяющихся частей (ОЧ) ракетоносителей (РН) «Протон» почвы заражены ракетным топливом — гептилом, или несимметричным диметилгидразином (НДМГ) — и продуктами его окисления (НДМА, ДМА, ТМТ и др.). Для детоксикации зараженных почв предложены химические, физико-химические, термические, механические, микробиологические методы. Однако природно-климатические условия Центрального Казахстана делают невозможным использование многих из них. В связи с этим разработка приемлемых для Казахстана технологий дезактивации имеет большое практическое и научное значение.

Наиболее эффективный способ дезактивации проливов КЖРТ — адсорбционный, основанный на поглощении КЖРТ из почв углеродсодержащими сорбентами. Для получения такого рода сорбентов может служить практически невостребованное в Казахстане углеродсодержащее минеральное сырье — шунгитовые породы, которые образуют природные толщи и отвалы в процессе добычи и обогащения полиметаллических руд. Приготовление модифицированного углеродсодержащего минерального сорбента (МУМС) проводили по специально разработанной технологии.

Шунгитовую породу обогащали методом пенной флотации. Химический состав шунгитовой руды и продуктов обогащения представлен в табл. 1.

Химический состав шунгитовой руды и продуктов обогащения

Модификацию сорбента катализаторами проводили путем механического перемешивания с солями переходных металлов и связующим до их равномерного распределения по всему объему. В качестве катализатора деструкции КЖРТ использовали MnO₂, содержание которого в сорбенте составляло 5 %.

Для удержания каталитических добавок увлажненную смесь брикетировали в виде цилиндров диаметром 2 мм, длиной 2–5 мм. Брикетированный материал подвергали карбонизации в инертной атмосфере при температуре 600 °C с последующей активацией острым паром. Термическая активация необходима для увеличения механической прочности сорбента и развития его удельной поверхности, которое происходит за счет выгорания неструктурированного углерода.

Для выбора оптимальных условий детоксикации почв, зараженных КЖРТ, были проведены лабораторные исследования с применением МУМС.

На первом этапе была определена степень заражения почв в местах падения ОЧ РН. Анализ содержание КЖРТ и продуктов его распада проводили по утвержденным методикам фотоколориметрическим методом и ВЭЖХ. Содержание НДМГ и продуктов его трансформации в почвах представлено в табл. 2.

Содержание НДМГ и продуктов его распада в почвах в местах падения ОЧ РН

№ пробы	Содержание, мг/кг
№ пробы	НДМГ	НДMA	ДМФА	MT	ДMT
1	8,0	0,43	0,16	0,62	0,48
2	12,0	0,33	0,61	0,42	0,30
3	32,0	0,48	0,13	0,25	0,37
ПДК в почвах, мг/кг
–	0,1	0,01	0,3	0,1	–

Как видно из табл. 2, содержание в почвах НДМГ и основных продуктов его распада превышает ПДК в несколько раз.

Лабораторные эксперименты по изучению дезактивации проводили следующим образом. В металлические противни объемом 1 500 см³ помещали почву из мест падения ОЧ РН, в которую вносили различные количества МУМС. Почву тщательно перемешивали с сорбентом и выдерживали на открытом воздухе при комнатной температуре. Отбор проб на содержание КЖРТ и продуктов его трансформации проводили через 1, 6, 16 и 24 часа. В качестве контрольного опыта для учета влияния аэрации исследовали зараженную почву без сорбента, которую, как и образцы с сорбентом, подвергали механическому перемешиванию перед выдержкой. Анализ контрольных образцов почвы на содержание КЖРТ и продуктов его трансформации проводили через 1 и 24 часа соответственно.

Степень извлечения КЖРТ рассчитывали по формуле

где С₀ — исходное содержание КЖРТ в почве, мг/кг; С — содержание НДМГ в почве в часы наблюдения, мг/кг.

Результаты лабораторных исследований по дезактивации КЖРТ модифицированным сорбентом на примере пробы № 3 представлены в табл. 3.

Извлечение КЖРТ из почвы модифицированным сорбентом в лабораторных условиях (проба № 3)

Результаты исследований показывают, что на процесс детоксикации почвы заметное влияние оказывают соотношение почва : МУМС и время их взаимодействия. Высокая сорбционная способность модифицированных шунгитовых сорбентов объясняется тем, что, кроме физической адсорбции, происходит и хемосорбция, при которой атомы марганца предоставляют свои свободные d-орбитали электронной паре атома азота для образования координационной связи. Экспериментально установлены оптимальные условия для детоксикации почв, загрязненных НДМГ в концентрации 10–115 мг/кг: соотношение почва : МУМС = 5 : 1 и время контакта 24 ч. Сорбционная емкость МУМС к НДМГ составляет 28 мг/г.

Детоксикацию КЖРТ и продуктов их трансформации модифицированными сорбентами можно объяснить каталитическим эффектом оксида марганца. Схема детоксикации НДМА выглядит следующим образом:

В рамках экспедиционных работ в период 2003–2007 гг. проведены полевые работы по дезактивации мест падений ОЧ РН в Центральном Казахстане. Ситуационная схема МП и результаты анализов на содержание КЖРТ до обработки (2003 г.) и после нее (2005 г.) представлены на рисунке. Результаты анализов экспедиционных и лабораторных исследований отличаются не более чем на 5 %.

Проведенные лабораторные и полевые исследования показывают перспективность использования модифицированных углеродсодержащих минеральных сорбентов на основе шунгитовых пород для детоксикации почв, зараженных КЖРТ и продуктами их распада.

Efremov S. A., Center of Physical and Chemical Methods of Research and Analysis, al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan

The study has been carried out to demonstrate that the modified carbon-mineral sorbents based on the schungite material can be effectively used for decontamination of soil polluted by liquid rocket fuel components and its decomposition products.

Ефремов Сергей Анатольевич, канд. техн. наук, доц., вед. науч. сотр., Центр физико-химических методов исследования и анализа Казахского национального университета имени аль-Фараби, ул. Карасай батыра, 95А, Алматы, 050012, Казахстан. Тел./факс (7272) 92-37-31. E-mail₁, e-mail₂

Материал	Содержание компонентов, мас. %
Материал	С	SiO₂	TiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	FeO	CaO	MgO	Na₂O	К₂О	M_Al
Руда	19,1	50,7	0,6	12,3	4,6	2,0	3,3	2,8	1,0	2,2	0,28
Продукты обогащения	43,8	32,1	0,5	8,6	2,6	2,2	2,8	0,9	1,5	1,8	0,19

Опыт	Содержание, мг/кг
	НДМА				ДМФА				МТ
	Время, ч
	1	6	16	24	1	6	16	24	1	6	16	24
Почва : МУМС = 5 : 1	0,27	0,22	0,14	0,01	0,06	0,04	н/о	н/о	0,13	0,12	0,10	0,09
Контрольный	11,3	–	–	7,5	0,5	–	–	0,31	0,421	–	–	0,375