Влияние зольно – шлаковых отходов на водную среду
· Латышева Мария Антоновна 10 класс ГБОУ СОШ №65 Санкт-Петербург
· Ариненко Руслан Юрьевич, к.б.н., педагог дополнительного образования ЭБЦ «Крестовский остров» СПб ГТДЮ
Работа выполнена в Эколого-биологическом центре "Крестовский остров" ГДТЮ (Санкт-Петербург, 197110, Крестовский пр., 19) в рамках учебной программы «Живая химия. Химия жизни»
Цель работы: изучение взаимодействия зольно-шлаковых отходов (ЗШО) с водой при различных температурах и их зависимости от времени
Задачи исследования: исследование быстроты образование общей щелочи при водном гидролизе модельных ЗШО; изучить влияние температуры и времени на гидролиз ЗШО разной концентрации;
Работа выполнена на базе лаборатории полевой экологии ЭБЦ «Крестовский остров» СПб ГДТЮ 24/11 – 11/12 2020 г.
Обзор литературы и актуальность исследования
Золо-шлаковые отходы образуются при сгорании угля для производства электроэнергии и тепла на ТЭС (может ТЭЦ?) и в котельных. Отходы являются источником повышенной экологической опасности и оказывают негативное влияние на здоровье человека, подземные и поверхностные воды, атмосферу, растительный и животный мир. (https://www.mining-portal.ru/publish/zoloshlaki--opasnyiy--no-sverhtsennyiy-resurs-rossii/).
В России под ЗШО ТЭС хранится 1,3-1,5 млрд. тонн отходов сжигания угля. В России зафиксированы несколько случаев аварий, вызванных утечкой ЗШО. В 1988 году на Иркутской ТЭЦ-11 смесь льда, воды и золошлаковых отходов пробила 10-метровую дамбу и растеклась по равнине на 3,5 км. В результате все токсичные отходы стекли в Ангару. Похожий эпизод произошел в 1999 году на Красноярской ТЭЦ-2. В крупных городах золоотвалы расположены в непосредственной близости от ТЭЦ (шлаки выводятся через систему труб). Например, в Новосибирске полигоны ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 тянутся вдоль улицы Большая. (https://ect-center.com/blog/zoloshlakovie-othody). Таким образом, при воздействии воды (из водоемов, атмосферных осадков) на ЗШО образуются щелочи, в дальнейшем вымываемые в природные воды (водоемы, грунтовые воды). В Ленинградской области, в известном Приозерском золошлаковом отвале находится примерно 900 000 тонн золы и шлака. Фильтрующаяся вода (фильтрат) через подземный водоносный горизонт поступает в находящееся в 100 м озеро Дроздово и Ладожское озеро. Таким образом, в течение многих лет Приозерский ЗШО является активным загрязнителем Ладожского озера, подземных вод и атмосферы (https://www.mining-portal.ru/publish/zoloshlaki--opasnyiy--no-sverhtsennyiy-resurs-rossii)
Зола состоит из разнообразных оксидов:: SiO2, Al2O3 -, Fe2O3 -, СаО+ MgO -, SO3 -, R2O, и солей: кальция карбонат (CaCO3), кальция силикат (CaSiO3), кальция хлорид (CaCl2), калия ортофосфат (K3PO4), кальция сульфат (CaSO4), натрия ортофосфат (NaPO4),натрия хлорид (NaCl). В результате взаимодействия оксидов и солей с водой образуются соответствующие гидроксиды (щелочи) в высоких концентрациях. Например: Na3PO4 + H2O ⇄ Na2HPO4 + NaOH, CaO+H2O=Ca(OH)2
Щелочь.обладает резко выраженным раздражающим действием. При попадании на кожу вызывает химические ожоги, а при длительном воздействии может вызвать язвы и экзему. Сильно действует на слизистые оболочки. При проглатывании возможны тяжелые ожоги ротовой полости, гортани, пищевода и желудка. При попадании в закрытый водоем щелочь может быть опасна для его обитателей.(https://www.cnshb.ru/AKDiL/0033a/base/k005.shtm#:~:text). Большинство рыб приспособилось переносить значительные изменения рН. Наиболее выносливыми являются карась и карп, выдерживающие колебания рН от 4,5 до 10,8. Оптимальной для жизнедеятельности сиговых рыб (сига, ряпушки, пеляди, чира) является величина рН, равная 6,8-8,0, форели - 7,0-8,0, щуки - 6,0-8,0. В щелочной среде с рН 9,0 наблюдается гибель форели, а в кислой среде с рН менее 5,6 форель не размножается. При рН 5,0 погибают сиговые рыбы, форель, хариус, плотва, окунь и щука (https://fish.krasu.ru/if/index_if.php3?s=25&p=1&q=48). Щелочность почвы связана с наличием в почвенном растворе щелочных солей — Na2CO3, NaHCO3, Ca(HCO3)2, (https://www.activestudy.info/shhelochnost-pochv/ © Зооинженерный факультет МСХА). При защелачивании почвы уменьшается продуктивность, поскольку снижается доступность питательных веществ. Когда значение рН равно или больше 8, особенно дефицитным становится фосфор.(https://www.zerno-ua.com/journals/2011/noyabr-2011-god/kislotnost-i-shchyolochnost-pochvy-vliyanie-na-urozhay-rost-i-razvitie-zdorovogo-pshenichnogo-rasteniya/)
Актуальность Таким образом ЗШО, как видно из вышесказанного, могут влиять на водный биом и щелочность почв, а при массовом сбросе ЗШО избыток щелочи становиться опасным загрязнителем. Данных о скорости появления опасной концентрации нет.
Материалы и методы
В работе использован модифицированный метод определения общей щелочности по ГОСТ 25555.4-91: разные навески древесной золы растворяли в водопроводной воде, инкубировали при различных температурных режимах и определяли общую щелочность титрованием. Таблицы с расчетами вынесены в отдельный документ.
Обсуждение и результаты
При исследовании динамики нарастания продуктов гидролиза ЗШО с массовой долей золы 5, 10, 20% при 6⁰С и 25⁰С на протяжении 12 часов сохранялись колебания концентрации ОН ионов в диапазоне от 0.003 до 0.017 моль\литр (рН от 12.5 до 12.7).
| Рис. 1. Зависимость концентрации ОН ионов от времени экспозиции при температуре 6⁰С и 25⁰С. Массовая доля ЗШО 5, 10, 20% |
| Рис. 2. Зависимость рН от времени выдержки 10% навески золы, при температуре 6 и 25 ⁰С. |
| Рис. 3. Зависимость рН от времени выдержки 5% и 20% навески золы, при температуре 6 и 25 ⁰С. |
Быстрое нарастание концентрации ОН ионов было отмечено лишь при кипячении ЗШО (см. рис. 4), зависела она от массовой доли навески и показала линейную зависимость (см. рис 5). Такие высокие температуры в природе не встречаются и вероятны для аварийных ситуаций на предприятиях или хранилищах ЗШО.
| Рис 5. Концентрация полученной щелочи в зависимости от массовой доли ЗШО при инкубации при 100⁰С в течение 10 и 60 мин. |
| Рис. 4. Зависимость концентрации ОН ионов от времени при температуре 100⁰С. Массовая доля ЗШО 10 и 20%, |
| Рис 6 Итоговый график зависимости концентрации ОН ионов от температуры для массовых долей ЗШО 10% и 20%. |
Выводы
Таким образом, на основании полученных данных можно заключить, что:
1) Факторами, влияющими на выход общей щелочности при контакте ЗШО с водой являются температура и массовая доля ЗШО в смеси (линейная зависимость).
2) Время выдержки от 1 до 12 часов, при обычных окружающих температурах (6 и 25 ⁰С) не увеличивает концентрацию щелочи, (рН колеблется в диапазоне от 12,5 до 12,7), которая достигает опасных величин за короткий интервал времени (несколько минут при перемешивании), лишь кипячение (процесс встречается на целлюлозных производствах) увеличивает щелочность раствора (рис 6)
Полученные результаты при взаимодействии ЗШО с водой при обычных температурах позволяют предположить, что разовый выброс ЗШО в водоём сразу создаёт опасную концентрацию щелочи, которая способна поддерживаться по меньшей мере 12 часов, создавая опасность для биома. Кроме того, чем выше температура и массовая доля щелочи, тем интенсивнее будет происходить реакция гидролиза и тем сильнее будет щелочное загрязнение.
Список литературы.
1. А. В. Мануйлов, В. И. Родионов Основы химии. Интернет-учебник. (https://www.hemi.nsu.ru/)
2. И. А. Пресс Химия Превращение вещества учебное пособие Спб 2004
3. Кислотно-основные индикаторы https://chemequ.ru
4. Химическая энциклопедия в 5 томах под редакцией И.Л. Кнунянца Москва 1988