Экология

Использование глауконитовых песков для решения проблем экологической защиты и восстановления природных свойств грунтов и водной среды.

В настоящее время выявилась необходимость использования высокой поглотительной способности ГЛАУКОНИТА для решения проблемных задач инженерной геоэкологии по защите окружающей среды от воздействия различных экотоксикантов, способных интенсивно мигрировать в гидро- и геосфере и тем самым нарушать нормальный ход биохемических процессов.

Физико-химические свойства ГЛАУКОНИТА делают его практически незаменимыми для формирования естественных и искусственных геохимических барьеров. В этом плане граничат интересы геохимиков, гидрогеологов, геоэкологов, инженеров-геологов и других специалистов, обеспечивающих защиту окружающей среды.

Поглотительная способность естественных глинистых пород в определенной мере ограничена, и потому их использование в качестве природных сорбентов не получило широкого практического распространения. Вместе с тем, повышенная химическая активность ГЛАУКОНИТА, природного сорбента, обусловленная особенностями строения и вещественного состава минерала, убеждает в наличии большого потенциала ГЛАУКОНИТА, как естественного алюмосиликата, который может служить в качестве важнейшего материального фактора в реализации идей искусственного литогенеза при решении практических задач инженерной геоэкологии. В связи с этим важно выделить те свойства ГЛАУКОНИТА, которые обеспечивают процессы самоорганизации, суть которой выражается в самопроизвольном образовании структуры из хаотичного состояния их составляющих.

Выявлено, что глинистые породы обладают высокой мерой химической инерционности или защитных свойств установившегося в них равновесного состояния, что подтверждается наличием в них ряда факторов буферности. К важнейшим из них относятся коллоидно-дисперсные минералы, малорастворимые соли основного или кислотного характера, состав обменных катионов и анионов, соотношение в золь-гелевой фазе ацидоидов и базоидов, содержание гумусовых веществ и т.д. Кроме того, важно отметить, что глины и глинистые породы устойчиво существуют в сравнительно узкой области pH, от 5 до 5.8 — двухслойные алюмосиликаты — каолинит, аллофан, галлуазит и от 6,5 до 8 — биотит, мусковит, ГЛАУКОНИТ, монтмориллонит, иллит, хлорит и др.

Поэтому при внесении в среду (грунты, воды) алюмосиликатов, способных сместить реакцию среды за пределы области устойчивого существования глинистых минералов породы, она будет подвержена интенсивному гидролизу. Однако началу реализации такого разрушительного процесса противодействуют факторы буферности. Но, поскольку глауконит является сложной минеральной системой, то, согласно принципу Ле-Шателье, он оказывает тормозящее противодействие неблагоприятному для его устойчивого состояния изменению реакции среды. Потому факторы буферности глинистых пород являются как бы первичным средством обеспечения процессов самоорганизации при защите сформировавшегося структурного строения глинистой породы или первичным этапом указанного выше тормозящего противодействия. Если же агрессивное воздействие химических реагентов полностью преодолевает действие факторов буферности породы (т.е. подавляет их), то противодействие этим процессам осуществляется за счет буферного действия кристаллических решеток основного минерала, в нашем случае ГЛАУКОНИТА. В частности, из его кристаллических решеток экстрагируются те оксиды, которые способны оказывать нейтрализующее противодействие ионам химического реагента, вызвавшим неблагоприятные изменения pH среды. Например, если сформировавшаяся неблагоприятная для ГЛАУКОНИТА среда находится в кислом интервале pH, то в жидкую фазу взаимодействующей минеральной системы экстрагируются оксиды щелочных (Na20, K2O) и щелочно-земельных металлов (CaO, MgO и др.), а также амфотерных R2O3 (Fe2O3 и Al2O3). Эти оксиды, взаимодействуя с ионами химического реагента, фактически выполняют функцию фактора буферности и содействуют смещению реакции среды в
благоприятную сторону для подвергшейся химической «агрессии» ГЛАУКОНИТА . Аналогично указанному, в неблагоприятном для ГЛАУКОНИТА щелочном интервале pH буферящими ингредиентами будут амфотерные оксиды R2O3, оксид кремнезема SiO2 и кислые соли слабых кислот, а также гумусовые вещества и их производные и т.д.

Из геохимии гипергенеза также известно , что силикаты и алюмосиликаты разрушаются по законам инконгруэнтного растворения, которое обусловлено: 1) неограниченной растворимостью щелочных и щелочноземельных элементов, характеризующихся низким ионным потенциалом; 2) растворимостью кремнезема и глинозема как функции pH.
При этом гидролитическое разрушение минералов первоначально происходит в полиэдрах с 12, 10 и 8 вершинами, занятыми Ka, Na, Ca, которые связаны в структуре минералов в основном ионными и сильнополярными типами связей. После этого начинают разрушаться октаэдры с 6 вершинами, в вершинах которых находятся Al и Si. При наличии в растворе комплексообразующих веществ резко интенсифицируется выход в раствор полуторных оксидов (R2O3), а выход кремнезема увеличивается в 10-50 раз .

Гидролитическое разрушение ГЛАУКОНИТА в системах реагент-грунт вначале происходит в поверхностных зонах минеральных частиц, более доступных к воздействию сложившейся неблагоприятной для их стабильного существования агрессивной жидкой фазы. Затем, при достаточно высокой концентрации внесенных в грунт химических реагентов, радиоактивных изотопов, тяжелых металлов, — разрушаются или подвергаются интенсивному гидролизу и более удаленные от границ раздела фаз зоны минеральных агрегатов.

Процесс частичного разрушения ГЛАУКОНИТА выражается в извлечении (экстрагировании) из его кристаллической решетки наиболее подвижных оксидов одно- и двухвалентных металлов, а затем и полуторных оксидов. Это приводит к нарушению связей в кристаллических решетках; при дальнейшем агрессивном воздействии дисперсионной среды выходят в раствор и другие оксиды, в том числе и SiO2. Из глинистых частиц и продуктов их гидролиза формируется золь-гелевая фаза и минерально-матричная система, состоящая из твердых глинистых частиц с разбалансированной кристаллической решеткой поверхностных слоев ГЛАУКОНИТА, что обеспечивает ему повышенную сорбционную способность (емкость).

В образовавшейся сложной многокомпонентной системе, включающей растворенные в жидкой фазе грунта оксиды, экстрагированные из ГЛАУКОНИТА, а также твердые частицы минеральной матрицы и золь-гелевой фазы, происходит непрерывный процесс химического поглощения ионов химических реагентов с формированием метастабильных предельно гидратированных первичных соединений алюмосиликатных новообразований. Приведенный механизм разрушения глинистого вещества подробно был раскрыт в теории синтеза вяжущих веществ (ТСВВ) в дисперсных грунтах .

Ядром указанной теории является учение о стадийности, взаимосвязи и последовательности физико-химических процессов в системах реагент – глауконит (глинистая порода). Сущность рассматриваемой теории заключается в следующем: сложный процесс взаимодействия химических реагентов с глинистыми породами подразделяется на пять условных стадий взаимодействия (I — V). При этом в качестве химических реагентов принимаются вещества, способные смещать реакцию среды породы в кислый или щелочной интервалы, неблагоприятные для устойчивого существования минералов глинистой породы.

Стадия взаимодействия I химических реагентов с глинистой породой включает физико-химические процессы растворения и диссоциации химических реагентов в жидкой/фазе глинистого грунта (породы);

Стадия II — физико-химические процессы преодоления факторов буферности породы (обменные реакции, реакции соединения, химического поглощения ионов реагентов твердыми и коллоидными дисперсными, а также золь-гелевыми фазами породы);

Стадия III — процессы инконгруэнтного гидролиза (разрушения) глинистых минералов, формирования много компонентной системы оксидов, экстрагированных из кристаллических решеток глинистых минералов, образование первичных предельно гидратированных метастабильных соединений и формирование коллоидно-дисперсной и золь-гелевой фаз новообразований;

Стадия IV — фазовые превращения первичных соединений в более устойчивые вторичные, третичные и т.д. (процессы бифуркации новообразований), что приводит к уплотнению и повышению стабильности золь-гелевой фазы новообразований;

Стадия V — формирование (синтез) полиминеральных алюмосиликатных новообразований, обладающих вяжущими свойствами, обусловленное самопроизвольной оптимизацией соотношения и состава продуктов жидкофазных химических реакций, вследствие преодоления внутренних противоречий, присущих системам реагент — грунт.

Эта теория фактически представляет собой важнейший этап процесса самоорганизации глауконита. Данный завершающий физико-химический процесс сопровождается обращением фаз системы глинистая порода — реагент следующим образом: исходно непрерывная жидкая фаза системы становится прерывной, а исходно прерывная твердая фаза превращается в непрерывную. Это означает, что исходное вязкотекучеее агрегатное состояние системы спонтанно переходит в твердопластичное и далее в твердоупругое состояние, иначе система «схватывается» или затвердевает, тем самым реализуется процесс омоноличивания исходно дискретной смеси (вода — глинистые частицы — реагент) или ее литификации (цементации). При этом происходит самопроизвольное формирование новой структуры взаимодействующей системы, что наиболее убедительно подтверждает наличие процессов самоорганизации данного объекта неживой природы -ГЛАУКОНИТА.

Таким образом, ТСВВ раскрывает в определенной мере физико-химический механизм процесса самоорганизации ГЛАУКОНИТА. Фактически установлено неизвестное ранее явление самопроизвольной оптимизации соотношения и состава продуктов жидкофазных химических реакций, контролирующее процессы образования неорганических вяжущих веществ в дисперсных минеральных средах (например, в цементных растворах и бетонах, а также в обработанных специально подобранными химическими реагентами глинистых грунтах). Это явление обусловлено бифуркациями (фазовыми переходами) коллоидно-дисперсных аморфных и кристаллических новообразований при непрерывном изменении их концентрации под влиянием буферящих ингредиентов в условиях пресыщения жидкой фазы взаимодействующей системы, в частности, реагент — ГЛАУКОНИТ.

На основе вышеизложенного представляется возможным выделить те свойства ГЛАУКОНИТА, которые можно отнести к разряду уникальных, поскольку, собственно, они являются определяющими в проявлении и развитии процесса самоорганизации минерала. Среди них можно указать:

1) высокую дисперсность, обусловливающую повышенную гидрофильность, наличие коллоидно-дисперсных свойств и формирование при увлажнении ГЛАУКОНИТА золь-гелевых фа, определяющих когезионно-адгезионные свойства (липкость) и пластичность его как природного вяжущего материала;
2) специфичную данным породам совокупность факторов буферности, обеспечивающих (или контролирующих устойчивое существование ГЛАУКОНИТА в характерной ему области pH среды, зависящей от вещественного состава и кристаллохимического строения (структуры) минерала;
3) высокую физико-химическую активность ГЛАУКОНИТА, характеризуемую емкостью поглощения и наличием сложного по составу поглощающего комплекса;
4) характерный естественный уровень pH среды ГЛАУКОНИТА,
5) способность самопроизвольного изотермического восстановления разрушенной структуры во времени при неизменной влажности (названная тиксотропией), что отражает фактическое проявление процессов самоорганизации, наиболее характерное алюмосиликатам, благодаря взаимопереходам коллоидно-дисперсных и золь-гелевых фаз ;
6) способность к регенерации ГЛАУКОНИТА в соответствии с присущей ему начальной структурой (генетическим кодом).

Выделенные свойства ГЛАУКОНИТА имеют исключительно важное значение для осуществления процессов искусственного литогенеза, согласно ТСВВ, в дисперсных грунтах, в том числе и в глинистых породах. Вместе с тем использование свойств ГЛАУКОНИТА, безусловно, необходимо при решении различных инженерно-геоэкологических задач по защите окружающей среды.

Рассмотрим некоторые примеры решения указанной проблемы. Прежде всего благодаря физико-химическим представлениям процессов воздействия ГЛАУКОНИТА , что детально исследовано в ТСВВ в дисперсных грунтах , сформировалась принципиально новая концепция решения экологических проблем техногенеза и современной инженерной геоэкологии. Такой концепцией является минерально-генетический (регенерационный) подход к реализации процессов физико-химического преобразования различных видов химически неуравновешенных техногенных отходов в экологически безопасные материальные системы . Указанное можно осуществить за счет искусственно спровоцированных процессов восстановительного минералообразования в дисперсных алюмосиликатах, подвергшихся кислотно-щелочному гидролизу .

Из числа различных агрегатных форм отходов для окружающей среды наибольшую опасность представляют жидкие и вязкопластичные, так как миграция из них вредных веществ-загрязнителей может происходить наиболее интенсивно, поскольку они в этих отходах могут пребывать в коллоидно-, молекулярно- и ионно-растворимом состоянии. При этом особую опасность для окружающей среды представляют содержащиеся в отходах тяжелые металлы (Cd, Pb, Hg, Cu, Zn, Ni, Cr и др.), радионуклиды, полиароматические и хлорорганические соединения, гебрициды и пестициды, синтетические поверхностно-активные вещества, растворимые и нерастворимые углеводороды и т.д. Глауконит «сажает» на себя тяжелые металлы, препятствует их перемещению в почве, переход в растения, связывает нуклиды, и активно переводит их в стабильное состояние, что снижает опасное радиоактивное излучение.