Торфяной гранулированный мелиорант для рекультивации земель, загрязненных тяжелыми металлами
PEAT GRANULATED AMELIORANT FOR RECLAMATION OF LANDS CONTAMINATED WITH HEAVY METALS

Изобретение относится к охране окружающей среды, техническое решение которого относится к области получения композиций на основе материалов природного растительного происхождения и может быть использовано для очистки техногенных грунтов и почв от тяжелых металлов.
Известен органический минеральный модификатор, который получают из торфа, перлита, вермикулита, известняка, вулканического пепла, кремнезема, листьев персика и ксантия сибирского [Пат. CN 106590679 A, 26.04.2017].
Недостатком данного модификатора является сложность его производства, и его экономическая эффективность ограничена территориями вблизи расположения всех необходимых компонентов.
Известен кондиционер для почвы с функцией минерального композитного удобрения содержащий, мас. %: 20 цеолита, 10 фосфатной породы, 20 природного апатита, 20 эльвана, 20 торфа и 10 доломита [Пат. KR 100787020 B1, 18.12.2007].
Известен способ получения гранулированного калийно-магниевого удобрения, который включает смешивание калийно-магниевого компонента со связующим, гранулирование смеси с нанесением глинистого компонента, ее сушку и отделение фракции продукта размером более 1 мм. Причем в качестве калийно-магниевого компонента берут смесь измельченной до размера 1,0-2,0 мм природной каинито-лангбейнитовой руды и порошкового хлорида калия, связующего берут 6-9 % от массы смеси, смешивание калийно-магниевого компонента со связующим осуществляют в процессе гранулирования, гранулирование ведут на протяжении 0,2-2,0 мин при механическом перемешивании, а глинистый компонент для нанесения на гранулы берут из внутренних слоев каинито-лангбейнитовой руды за счет интенсивного механического перемешивания смеси сибирского [Пат. UA 73659 U, 10.10.2012].
Известен состав кондиционера почв и способ его изготовления содержащий диатомит и янтарную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.%: диатомит 85-90, янтарная кислота 15-10. Для изготовления состава кондиционера почв предварительно обжигают диатомитовую крошку при температуре 700-900°С. После чего наносят на крошку раствор янтарной кислоты. Затем обработанные гранулы перемешивают в течение 15-20 минут в грануляторе при частоте оборотов от 30 до 40 Гц при наклоне чаши от 40 до 50° до момента исчезновения комочков и влажных зон. После этого гранулы просушивают при температуре от 15 до 25°С, распределив их тонким слоем на ровной, сухой и чистой поверхности [Пат. RU 2649634 C1, 19.07.2017].
Известен способ мелиорации почв, загрязнённых тяжёлыми металлами, включающий внесение на поверхность почвы мелиоранта, перемешивание его с мелиорируемым слоем почвы и выращивание сельскохозяйственных культур с соблюдением зональной агротехники. При этом периодом внесения мелиорантов является август-сентябрь, а глубина заделки мелиоранта 10-12 см. Затем производится отвальная вспашка на глубину 25-30 см. В качестве мелиорантов используют известняковую муку, фосфоритную муку, суперфосфат, сульфид натрия, низинный торф в оптимальных дозах. Способ позволяет снизить подвижность тяжелых металлов (свинца и кадмия) в почве на 20-60% и их содержание в растениеводческой продукции ниже уровня ПДК, дополнительно повышается почвенное плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур [Пат. 2597172 C2, 01.12.2014].
Известен состав для рекультивации почв содержащий торф, песок, золу сжигания осадка сточных вод и семена многолетних морозостойких растений при следующем соотношении компонентов, мас.%: зола сжигания осадка сточных вод - 10,0-14,0, торф - 43,0-81,0, песок - 8,6-45,0, семена многолетних морозостойких растений – остальное. В качестве растений используются клевер луговой или райграс пастбищный [Пат. 2711925 C1, 03.04.2019].
Известен состав для детоксикации почв, загрязненных преимущественно мышьяком, который может быть использовано при рекультивации земель, загрязненных мышьяком и другими элементами с переменной степенью окисления, проявляющими в почве как окислительные, так и восстановительные свойства и легко переходящими из катионной формы в анионную и обратно. Состав для детоксикации почв, загрязненных преимущественно мышьяком, включает диатомит, обработанный Fe3+, и голубую глину при следующем соотношении компонентов, вес. %: диатомит, обработанный Fe3+ - 50-60, голубая глина - 40-50. Состав снижает содержание подвижных форм мышьяка в почве на 87% и поддерживает в почве оптимальный pH - 7,4 [Пат. RU 2471849, 13.07.2011].
Перечисленные изобретения имеют ряд существенных недостатков: сложный состав и сложность его производства в промышленных масштабах. Кроме того, в изобретениях используется осадок сточных вод, состав  которого является непостоянным и может принести дополнительный вред окружающей среде, а энергозатраты на его сжигание, отрицательно сказываются на его конечной стоимости. Данные композиции являются дорогостоящими, не производятся серийно, и поэтому их использование с целью детоксикации экономически нецелесообразно.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является торфяной мелиорант для очистки земель от тяжелых металлов, фракцией 0-10 мм, содержащий торф верховой нейтрализованный, диатомит и вермикулит при следующем соотношении компонентов в смеси, мас.%:  торф - 60, диатомит - 30, вермикулит – 10 [Пат. RU 2745456, 03.09.2020].
Недостатком изобретения является более низкая сорбционная емкость по отношению к некоторым тяжелым металлам в сравнении с предлагаемым изобретением.
+3
+6
Целью предлагаемого изобретения является рекультивация техногенных грунтов урбанизированных, промышленных и сельскохозяйственных территорий загрязненных преимущественно тяжелыми металлами (As, Pb, Cd, Cu, Cr, Cr) и улучшение агрофизических свойств почв за счет использования смеси в виде гранулированного мелиоранта на основе верхового торфа с низкой степенью разложения и добавлением диатомита и вермикулита.
На Фиг. 1а представлено фото мелиоранта с камеры, Фиг. 1б представлено фото, сделанное при помощи электронного микроскопа SNE-4500M. На фиг. 2 (диатомит) и фиг. 3 (вермикулит) представлены фотографии составляющих мелиоранта, выполненные при помощи камеры и микроскопа.
В качестве исходного сырья для производства мелиоранта используется:
1. Торф верховой нейтрализованный, фракционированный (фракция 0-20). Влажность торфа от 50 до 60 %, водородный показатель водной вытяжки (рН) 5,5 – 6,0. Верховой нейтрализованный торф готовится из верхового торфа низкой степени разложения. Степень разложения верхового торфа не превышает 18 %, массовая доля влаги в нем составляет не более 60 %, зольность - менее 10 %. Основные неорганические соединения торфа: азот до 1,5 %, фосфор, калий, кальций (в сумме) до 0,6 %. Содержание гуминовых веществ в торфе составляет 7,4 - 7,9 %.
2. Диатомитовая мука (ТУ 5761-001-59266087-2005) соответствует следующим параметрам (табл. 1, Фиг. 2).
Таблица 1
Химический состав диатомитовой муки
Наименование показателя
Значение показателя
Содержание SiО<sub>2</sub>
Не менее 82%
Содержание А1<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
Не более 7%
Содержание Fe<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
Не более 4%
Влажность
Не более 8%
Потери при прокаливании
2,5% - 3,0%
3. Вермикулит (фракция 1-3 мм). Вермикулит - минерал из группы гидрослюд, при термической обработке превращающийся в сыпучий чешуйчатый материал. Вермикулит улучшает структуру почвы, поглощает избыточную влагу, разрыхляет и повышает воздухопроницаемость грунта. Является отличным дренажным и мульчирующим материалом. Широко применяется в комнатном, приусадебном и сельскохозяйственном растениеводстве (Фиг. 3).
Химический состав вермикулита представлен в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав вермикулита
Компонент
Содержание
Компонент
Содержание
SiO<sub>2</sub>
38,0 – 49,0 %
TiO<sub>2</sub>
1,5 %
MgO
20,0 – 23,5 %
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0 - 0,5%
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
12,0 – 17,5 %
MnO
0,1 – 0,3 %
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
5,4 – 9,3 %
Cl
0 – 0,5 %
FeO
0 – 1,2 %
CO<sub>2</sub>
0 – 0,6 %
K<sub>2</sub>O
5,2 – 7,9 %
S
0 – 0,2 %
Na<sub>2</sub>O
0 – 0,8 %
H<sub>2</sub>O
5,2 – 11,5 %
CaO
0,7 – 1,5 %
Торфяной гранулированный мелиорант может быть получен следующим образом:
о
Исходное сырье, торф фр. 0-20 мм, диатомитовая мука и вермикулит фр. 1-3 мм при следующем соотношении компонентов в смеси, мас. %: торф 60, диатомитовая мука 30, вермикулит 10, тщательно перемешивается и сушатся при температуре не более 80 С до влажности не более 30%, после перечисленных процедур полученная композиция отправляется в пресс-гранулятор. На выходе получаются гранулы (фиг. 1) имеющие следующие характеристики:
Таблица 3
Характеристики гранулированного торфяного мелиоранта
Мелиорант
Насыпная плотность, кг/м<sup>3</sup>
Удельная площадь поверхности, м<sup>2</sup>/кг
Цвет
Влажность, %
pH
ТДВгр
600-640
0,7-0,75
Светло-коричневый
12-15
7,0-7,5
Пример:
В качестве примера были проведены лабораторные эксперименты с искусственно загрязнённой суглинистой почвой следующими концентрациями ионов тяжелых металлов, табл. 4:
Таблица 4
Степень загрязнения экспериментальных образцов
Валовая концентрация тяжелых металлов в грунте, мг/кг
As
Cu
Cd
Pb
Cr<sup>+3</sup>
Cr<sup>+6</sup>
16
100
15
140
7
5
Результаты табл. 5 заявляемого изобретения сравнивали с прототипом:
Анализы образцов проводили с помощью рентгенофлуоресцентного кристалл-дифракционного сканирующего спектрометра «СПЕКТРОСКАН МАКС G».
Таблица 5
Результаты экспериментов
Сорбент
Процент извлечения ТМ сорбентом (А, %)
As
Cu
Cd
Pb
Cr<sup>+3</sup>
Cr<sup>+6</sup>
ТДВгр*
79
55
100
100
36
57
ТДВнгр**
46
62
39
63
49
23
ТДВгр - Торф/диатомит/вермикулит гранулированный*. ТДВнгр - Торф/диатомит/вермикулит не гранулированный (Пат. RU 2745456, 03.09.2020)**.
+6
В результате образцы заявляемого изобретения под шифром ТДВгр как видно из табл. 5 показали наилучшую степень сорбции по следующим тяжелым металлам: As, Cd, Pb, Cr, что говорит о соответствии заявляемого изобретения критериям «новизна» и «изобретательский уровень», т.к. для специалиста в данной области неочевидно, что грануляция данной композиции в сравнении с прототипом увеличит степень извлечения определенных тяжелых металлов из исследуемых грунтов.
+3
+6
Ряд проведенных экспериментов показал высокую эффективность торфяного гранулированного мелиоранта для рекультивации техногенных грунтов урбанизированных, промышленных и сельскохозяйственных территорий, загрязненных тяжелыми металлами такими как: As, Pb, Cd, Cu, Cr, Cr. Кроме того, производство мелиоранта не требует сложных энергозатратных технологий, что положительно сказывается на экономической составляющей изобретения.