Оценка возможности негативного воздействия шлаков металлургического комбината на окружающую среду

Одним из наиболее опасных источников загрязнения природной среды являются техногенные минеральные образования (ТМО), формирующиеся в результате промышленной деятельности человека. Ежегодно мировая промышленность извлекает из недр Земли около 10 миллиардов тонн твердых веществ, 70% которых в последствии становятся отходами при производстве промышленной продукции. Расчёты показывают, что на территории России и стран СНГ запасы шлаковых отвалов достигают более 500 млн. тонн [1].

Наиболее остро проблема обращения с отходами производства проявляется именно в последнее время. Всё возрастающий интерес к ней в научной среде вызывается двумя основными факторами: в первую очередь усиливающимся дефицитом природных источников полезных для индустрии элементов, поэтому, ТМО представляют интерес как потенциальные источники природных ресурсов. Во вторую очередь, всё большее число учёных начинают обращать внимание на ТМО, как на комплексный источник загрязнения геосферы [2,3], следовательно, возникает необходимость в предотвращении загрязнения природной среды и во внедрении путей реабилитации.

Основная масса техногенных минеральных образований формируется в районах с развитой горноперерабатывающей и добывающей промышленностью. Одним из таких районов является город Карабаш Челябинской области, где в результате деятельности медеплавильного комбината ЗАО “КарабашМедь”, формируется огромное количество твёрдых отходов, складирующихся в отвалы металлургических шлаков. Общее количество медных шлаков составляет 20 млн. тонн. Шлаковые отвалы создают экологические проблемы, связанные с отчуждением земельных отводов, запыленностью, процессами естественного выщелачивания.

Целью данной работы является: моделирование процесса гидрогенного загрязнения окружающей среды от техногенных минеральных образований.

Для определения уровня загрязнения окружающей среды от металлургического шлака был смоделирован процесс гидролиза отвальной массы.

Воздух в районе исследования содержит в своём составе сернистый ангидрид (SO₂) в концентрациях значительно превышающих фоновую, это связано с аэропромвыбросами Карабашского ГМК. Атмосферные осадки, проходя через толщу загрязнённого приземистого слоя атмосферы, взаимодействуют с SO₂, в результате образуется серная кислота. В итоге на отвальную массу попадает дождевая вода с исходной концентрацией H₂SO₄ приблизительно равной – 0,0001н. Поэтому в качестве реагента для взаимодействия со шлаком использовалась серная кислота  концентрацией: 0,0001н. Масса подверженного выщелачиванию шлака составляет 267г.

Для моделирования процесса ускоренного гидролиза отвальной массы во времени, использовалась серная кислота в концентрациях превышающих исходную в: 10, 100, и 1000 раз. Это делалось, в первую очередь, для наиболее полного изучения миграции из шлака химических элементов, и во вторую очередь для сравнения полученных данных с результатами анализа элюатов представленных концентрацией H₂SO₄ эквивалентной дождевой воде.

Время взаимодействия серной кислоты со шлаком было определено в 14 дней, после чего брался элюат и шлак заливался вновь серной кислотой для снятия следующей пробы. Время в 14 дней было определено с учётом коэффициента фильтрации шлака, равному 3,3 м/сут.. Так как высота отвальной массы 32 м., то в течении 10 дней теоретически, кислота образовавшаяся на поверхности отвала, достигнет его основания, но с учётом наличия в отвальной массе различных литологических и геохимических барьеров, теоретическое время было увеличено до 14 суток. Итого было сделано по 13 промывок из 4 различных вариантов. Так же для выявления определяющей роли серной кислоты в процессе гидролиза шлака, было сделано 4 промывки отвальной массы дистиллированной водой, данные по анализу которых представлены в табл.1.

Таблица – 1. Содержание тяжелых металлов в элюате с дистиллированной водой, мг/л

Как видно, при действии на отвал дистиллированной водой, содержание тяжёлых металлов незначительно. Но, всё-таки, наблюдается некоторое превышение ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (далее –  ПДК) по Cd и Pb. Вода слабо действует на силикатную матрицу, поэтому наличие ТМ в элюатах объясняется растворением веществ образующихся при выплавке металла. Выхода магния и железа при обработке отвальной массы дистиллированной водой не обнаружено, или же оно незначительно и выходит за границы определения. Следовательно, первичным фактором определяющим гидролиз отвальной массы, является серная кислота, содержащаяся в дождевой воде.

Результаты гидролиза шлака серной кислотой в различных концентрациях представлены в виде сводной таблицы, обобщающей выход исследуемых компонентов за всё время исследования (182 дня) и показывающий средний показатель значения pH (табл. 2).

Таблица – 2. Результаты химического анализа элюатов.

На растворимость веществ, прямое влияние имеет значение энергии Гиббса (ΔG°f_298.15). Численное значение ΔG показывает, как глубоко идет процесс растворения: чем отрицательнее ΔG, тем образуется более устойчивые соединения. Следовательно, можно связать энергию Гиббса и интенсивность выщелачивания элементов из шлака. Так, в процессе гидролиза отвальной массы наблюдается наибольший выход кальция (в 0,1н растворе 530,266 мг), значение ΔG°f_298.15 для силиката кальция составляет: -1543,937 кДж/моль. Значение ΔG°f_298.15 для силикатов магния, железа, меди, кадмия и свинца соответственно равны: -1462,098; -1117,546; -1112,245; -1106,253;       -1053,259 кДж/моль. Выход магния, железа, меди, кадмия и свинца соответственно обратно пропорционален увеличению энергии Гиббса: 451,889мг; 212,8мг; 2,779мг; 0,05974мг и 0,83666мг. Видно, что изложенная выше закономерность нарушается в отношении свинца и кадмия, это объясняется гораздо более большим содержанием свинца в шлаке, чем кадмия.

Что бы более детально оценить возможный уровень воздействия техногенного образования на окружающую среду, был произведён расчёт общего выхода ТМ из шлака. Оценка производилась для элюата  представленного 0,0001н серной кислотой и элюата концентрированнее в 1000 раз. Всего за 182 дня исследования из шлака выщелаченно: 0,0001н кислотой: 0,1407 мг свинца, 0,6147 мг меди и 0,016257 мг кадмия; 0,1н кислотой: 0,83666 мг свинца, 2,779 мг меди и 0,05974 мг кадмия. Масса подверженного выщелачиванию шлака составляет 267г, а общая масса отвалов составляет порядка 20млн. тонн, следовательно количество элементов мигрирующих из отвалов вследствие гидрогенного загрязнения составляет порядком несколько тонн. Результаты по общему выходу элементов представлены в табл.3.

Вся масса выделившихся химических элементов из шлака в смоделированном процессе гидролиза, даёт нам представление о степени их воздействия на сопряжённые с отвалом системы. Общий выход металлов из отвальной массы, если взять за наиболее приближенную к реальным условиям обработку шлака серной кислотой концентрацией эквивалентной дождевой воде, за 182 дня составляет: 10,539 т свинца, 1,2818 т кадмия и 46,045 т меди.

Таблица – 3. Общий выход ТМ из отвалов

Можно резюмировать, что наблюдаемый выход потенциально опасных соединений из шлака, в созданной модели, вполне может соответствовать реальному загрязнению окружающей среды. Отсюда возникает необходимость в более детальном исследовании данной проблемы и выявлению возможных путей реабилитации.