Камуз А.М.,
Артамонов В.Н.

Источник: Известия Донецкого горного института. – № 3. – Донецк: ДонНТУ, 2008. – С. 7-13

До поверхневих водних об’єктів Донеччини щорічно надходить біля 1,7 млрд. м³ стічних вод. Із них близько 88,5% складають очищені стоки, біля 7,5% – неочищені, до 4% – недостатньо очищені [1].

Вода рік Донбасу на протязі багатьох років потерпала від забруднення різними шкідливими сполуками, тож, сьогодні знаходиться у поганому та незадовільному станах [2]. Серед інших, від негативної дії забруднювачів промислових і побутових стічних вод страждає права притока ріки Сіверський Донець – р. Казенний Торець. Казенний Торець є однією з найважливіших рік Північного Донбасу. Басейн Казенного Торця розташовується у північно-західній частині Донецького кряжа. Ріка протікає територією Красноармійського, Добропільського та Слов’янського районів Донеччини і є джерелом водопостачання міст Дружківка, Краматорськ, Слов’янськ.

Розміщення шахт поблизу витоків Казенного Торця приводить до насичення ріки високомінералізованими шахтними водами, тому Сіверський Донець залишається прісним лише у верхів’ї (до впадіння притоки Казенний Торець) [3].

На окрему увагу заслуговує екологічна оцінка якості води ріки Казенний Торець за специфічними показниками, враховуючи забруднення синтетичними поверхнево-активними речовинами (СПАР). У наявності є дані [2], які свідчать, що ця ріка несе найзабрудненіші СПАР та іншими елементами токсичної і радіаційної дії води у Донецькій області. Згідно з оцінкою якості поверхневих вод, вода Казенного Торця за специфічними показниками токсичної і радіаційної дії є поганою (концентрація специфічних забруднюючих речовин становить більше 0,250 мг/дм³).

Нами були проведені контрольні дослідження води ріки Казенний Торець, водних об’єктів, що належать до її басейну, а також колодязя неподалік, на предмет наявності в цих пробах води поверхнево-активних речовин (ПАР) із метою перевірки та удосконалення методики експрес-аналізу. Були досліджені також проби води з технологічного ставка-накопичувача АТЗТ «Веско», яке займається розробкою родовищ вогнетривкої та тугоплавкої глини на півночі Донецької області, для з’ясування рівня впливу підприємства на водне середовище [4].

Методика визначення концентрації ПАР експрес-аналізом була розроблена в останні роки на основі результатів науково-дослідної роботи під керівництвом професора, кандидата технічних наук Артамонова В. М., на кафедрі «Природоохоронна діяльність» Донецького національного технічного університету. Основна ідея методики полягає у визначенні експрес-аналізом наявності та відносних процентних показників концентрації ПАР у водних розчинах.

Фізичний зміст проведених досліджень заснований на явищі зміни поверхневого натягу у системі «вода – ПАР – повітря» [5]. Подібне явище відбувається за рахунок позитивної адсорбції на поверхні [6].

На межі фаз «тверде тіло – рідина – газ» відбувається змочуваність твердого тіла, яка характеризується крайовим кутом змочування , що розраховується за формулою (1):

(1)

де – крайовий кут змочування, град;

– поверхневий натяг на межі «тверде тіло – газ», дин/см;

– поверхневий натяг на межі «тверде тіло – рідина», дин/см;

– поверхневий натяг на межі «тверде тіло – рідина», дин/см.

Величина рівноважного крайового кута визначається співвідношенням сил тяжіння рідини до твердого тіла та сил взаємного тяжіння між молекулами самої рідини. Усі тіла за змочуваністю поділяються на гідрофільні (добре змочувані) з кутом змочуваності < 90°, за якого спостерігається так зване обмежене змочування і гідрофобні з кутом > 90° (т. зв. погане змочування). Повна змочуваність досягається за = 0° (cos 0° = 1), повна незмочуваність – за = 180° (cos 180° = – 1). За умови повної змочуваності капля розтікається в тонку плівку. Змочування твердих тіл відбувається поступово, бо необхідний час на витіснення повітря з поверхні частинок. Руйнування цієї плівки виникає внаслідок зіткнення твердих частинок і частинок води, а також – зростання температури. Під час нагрівання частинок може видалятися деяка кількість адсорбованого повітря та зменшуватися поверхневий натяг води [6–7].

Поверхневу (адсорбційну) активність ПАР, тобто їх здатність концентруватися на поверхні розділу фаз (адсорбуватися), викликаючи цим зниження поверхневого міжфазового натягу та зміну властивостей поверхнево-активних речовин, обумовлює дифільна структура [9]. В адсорбційному шарі на межі фаз дифільні молекули ПАР орієнтуються найбільш вигідним чином: гідрофільні групи – у бік полярної (водяної) фази, гідрофобні

у бік неполярної (газової). Гідрофільні групи забезпечують розчинність ПАР у воді, гідрофобні радикали за достатньо високої молекулярної маси сприяють розчиненню ПАР у неполярних середовищах.

За характером дисоціації всі ПАР поділяються на:

- аніонні, функціональні групи яких у результаті іонізації в розчині утворюють негативно заряджені органічні іони, що обумовлюють поверхневу активність;

- катіонні, функціональні групи яких унаслідок іонізації в розчині утворюють позитивно заряджені органічні іони, які обумовлюють поверхневу активність;

- неіоногенні, які практично не утворюють у водному розчині іонів;

- амфолітні, що утворюють у водному розчині в залежності від умов (рН, розчинник та ін.) аніоноактивні чи катіоноактивні речовини.

Окремою групою виділяються високомолекулярні ПАР. Вони складаються з багатьох ланцюжків, що повторюються, кожен із яких має полярні та неполярні групи. Тому високомолекулярні ПАР ще називають полімерними [9–10]. Клас ПАР визначається полярною групою. Необхідно лише враховувати, що багато ПАР поліфункціональні, тобто мають декілька різних полярних груп і, таким чином, суміщають властивості різноманітних класів, наприклад, сульфосукцинати (солі ефірів сульфоянтарної кислоти).

Клас ПАР визначається полярною групою. Необхідно лише враховувати, що багато ПАР поліфункціональні, тобто мають декілька різних полярних груп і, таким чином, суміщають властивості різноманітних класів, наприклад, сульфосукцинати (солі ефірів сульфоянтарної кислоти).

Найбільш поширені наступні гідрофобні групи (вони є радикалом R у всіх класах ПАР): первинний, вторинний або третинний алкіл C_nH_2n+1; алкен C_nH_2n+1CH=CHC_nH_2n; алкін C_nH_2n+1CCC_nH_2n; алкілбензол C_nH_2n+1C₆H₄; моно- чи поліалкілнафталін C_nH_2n+1C₁₀H₆; алкілциклоалкан C_nH_2n+1C₆H₁₀.

Лабораторні дослідження, проведені нами, включали: вибір ПАР, складання еталонних концентрацій ПАР у воді, підготовку лабораторної установки та готування розчинів [4].

В якості ПАР було вибрано натрію лауретсульфат і бетаїн. Вони є аніонною й амфолітною поверхнево-активними речовинами відповідно (рис. 1) [9].

Рисунок 1 – Поверхнево-активні речовини, які використовувалися для дослідів

У ході складання еталонних концентрацій ПАР у воді було враховано принцип рівномірності. Еталонними концентраціями послужили 0% – в "умовно чисту" воду ПАР не додавалися – та концентрації ПАР від 0,1% до 1,0% з кроком 0,1% (табл. 1).

Таблиця 1 – Еталонні концентрації ПАР у воді, %

Лабораторна установка складалася з наступних основних елементів: штатив із мірною лінійкою, відкрита ємкість для розчину, закріплена кріпленням, ємкість для зливу, капіляри необхідної довжини (у залежності від фіксованої висоти).

Підготовка розчинів здійснювалася наступним чином: у очищеній профільтрованій воді об’ємом 1,0 л розчинялася деяка маса ПАР і обережно перемішувалася. Для отримання 1,0%-го розчину у "умовно чистій" воді було розчинено 10 г ПАР, 0,5%-го – 5 г і т. п.

Досліди проводилися за різних фіксованих висот h=1,0 м, h=1,5 м і h=2,0 м. У результаті найбільш вірогідною була визнана висота h = 1,0 м, якій відповідає надлишковий тиск Р = 0,1 атм [11]. Водний розчин ПАР об’ємом 1,0 л пропускався з ємкості, що має фіксований об’єм, по капіляру за атмосферного тиску під силою гравітації. Фіксувався час витікання.

Достатня кількість дослідів дозволила розробити номограму у системі координат «Концентрація ПАР С, %»,«Час проходження водного розчину t, с». Час проходження водного розчину для кожної з еталонних концентрацій було визначено як середній арифметичний при більш ніж десяти дослідах.

Концентрацію ПАР вибрано як найбільш яскраву характеристику властивостей поверхнево-активних речовин. Це пояснюється прямим зв’язком концентрації та поверхневого натягу: поверхневий натяг рідини має визначене значення та може змінюватися додаванням ПАР до розчину. Кожному і-му значенню концентрації ПАР Ci відповідає визначений поверхневий натяг

Отримана номограма дає змогу визначити концентрацію ПАР у будь-якій воді. Для цього фіксується час проходження 1,0 л води через капіляр t_i, та за відомою залежністю С_i = f (t_i) визначається концентрація поверхнево-активних речовин.

Побудова номограми є першим кроком до здійснення майбутніх досліджень. Зараз вона включає достатньо великий діапазон концентрацій. Подальші напрацювання дозволять нам виділити діапазони, у яких можна отримати найбільш достовірні результати стосовно концентрацій ПАР у воді того чи іншого призначення.

Із використанням пілотажної номограми нами, перш за все, було встановлено наявність ПАР у всіх забраних пробах води. А також було визначено орієнтовні концентрації ПАР, що дозволило зробити відповідні висновки:

1. Вода з артезіанських свердловин, яка надходить водопроводом до АТЗТ «Веско», найменше забруднена поверхнево-активними речовинами з-поміж усіх проб води, що відбиралися для досліджень.

2. У ріках Казенний Торець і Грузька (ліва притока Казенного Торця) концентрації ПАР виявилися в 1,5–2,0 рази меншими, аніж у ставках, що знаходяться в межах басейну р. Казенний Торець. Така ситуація склалася завдяки гідрологічному зв’язку між водними об’єктами.

3. Концентрація ПАР у технологічному ставку-накопичувачі АТЗТ «Веско» була дещо нижчою за концентрацію у вищезгаданих ставках, що знаходяться за 0,5–1,0 км від технологічного.

4. Концентрація ПАР у воді технологічного ставка у різних місцях незначно відрізняється. У місці впуску очищеної після мийки вагонів води вона є вищою, ніж на іншій стороні водойми (відстань між точками відбору проб – 150 м), що говорить про розбавлення води.

5. Концентрація ПАР у воді колодязя, що знаходиться у безпосередній близькості від р. Казенний Торець, є вищою, ніж у самій ріці. Подібна ситуація не може не непокоїти суспільство, бо поверхнево-активні речовини володіють властивостями токсичності та низької спроможності біологічного розкладення [9].

6. Гірничодобувне підприємство забруднює природні водні об’єкти поверхнево-активними речовинами внаслідок малоефективної роботи нафтопастки, що призначена для очистки стічних вод після мийки вагонів.
   
   Проте згідно з Водним кодексом України [12] водокористувачі зобов’язані не допускати спричинення шкоди об’єктам довкілля (ст. 44, п. 5), здійснювати заходи щодо попередження скиду стічних вод чи його припинення, якщо вони перевищують гранично допустимі скиди токсичних речовин (ст. 70, п. 5, ч. 2); усі води підлягають охороні від забруднення, засмічення та інших дій, що можуть спричинити шкоду здоров’ю людей, привести до зменшення рибних запасів та інших несприятливих явищ унаслідок зміни фізичних і хімічних властивостей вод, зниження їх здатності до природного очищення, порушення гідрологічного та гідрогеологічного режиму вод (ст. 95).

7. Під час розробки нормативів гранично допустимих скидів (ГДС) забруднюючих речовин у водні об’єкти поверхнево-активні речовини часто не беруться до уваги. Так, на АТЗТ "Веско" з метою організації контролю стану води ставка-накопичувача були затверджені нормативи ГДС шкідливих речовин у ставок без урахування ПАР [13]. Згідно з Постановою Кабінету Міністрів України № 1100 від 11 вересня 1996 р. «Про порядок розроблення і затвердження нормативів гранично допустимого скидання забруднюючих речовин та перелік забруднюючих речовин, скидання яких нормується» [14], поверхнево-активні речовини входять до списку В. До нього включено забруднюючі речовини, скидання яких має зменшуватися та які нормуються у разі їх наявності у складі зворотних вод.

Із урахуванням доведеної нами наявності ПАР у складі зворотних вод підприємства рекомендуємо включати поверхнево-активні речовини до «Проекту нормативів ГДС» АТЗТ «Веско» [13] і приділяти більше уваги цим небезпечним сполукам узагалі внаслідок скиду будь-яким виробництвом. Бо ПАР сьогодні широко використовуються у галузях промисловості різних спрямувань [9–10, 15–16]. Зазначені заходи є логічним продовженням раніше запропонованих нами [17].

Проблеми забруднення природних вод поверхнево-активними речовинами неодноразово піднімалися нами [11, 18–20].

Ураховуючи високий ступінь забруднення водних об’єктів Північного Донбасу і небезпечні властивості ПАР, як-то здатність до накопичення, токсичність і низька спроможність біологічного розкладення, вважаємо за необхідне приймати відповідні заходи. У якості швидкого і якісного моніторингу пропонуємо застосовувати вказану експрес-методику, яку ще потрібно вдосконалити.

Бібліографічний список

1. Земля тривоги нашої. За матеріалами доповіді про стан навколишнього природного середовища в Донецькій області у 2004 році / Під ред. С. В. Третьякова. – Донецьк: «ЦЭПИ «ЭПИЦентр ЛТД». – 2005. – 120 с.: іл.

2. Екологічна оцінка якості поверхневих вод: Карта. – К.: ВКФ, 1996.

3. Руднев Е. Реки болеют // 2000. – 2006, октябрь. – С. В4.

4. Камуз А. М. Розробка та обґрунтування заходів щодо оцінки наявності поверхнево-активних речовин у воді, яка використовується АТЗТ «Веско»: Кваліфікаційна робота магістра: 27.12.06 / ДонНТУ. – Донецьк, 2006. – 207 с.

5. Ребиндер П. А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. – М.: Недра, 1979. – 382 с.

6. Михайлов А. М. Охрана окружающей среды на карьерах: Учеб. пособие. – К.: Вища шк., 1990. – 264 с.: ил.

7. Справочник по борьбе с пылью в горнодобывающей промышленности / Под ред. Кузьмича А. С. – М., 1982.

8. Поверхностно-активные вещества: Справочник / Абрамзон А. А., Бочаров В. В., Гаевой Г. М. и др.; Под ред. А. А. Абрамзона и Г. М. Гаевого. – Л.: Химия, 1979. – 376 с.: ил.

9. Артамонов В. Н. Использование водных растворов поверхностно-активных веществ для увлажнения угольных пластов // Известия Донецкого горного института. – Донецк: ДонГТУ. – 2000. № 1, май. – С. 35–37.

10. Артамонов В. М., Камуз А. М. Вирішення проблем забруднення природних вод поверхнево-активними речовинами // Научная конференция "Молодые ученые – географической науке", 24–25 октября 2007 г. – К.: КНУ им. Т. Шевченко, 2007. – С. 52–54.

11. Камуз А. М., Артамонов В. М. Визначення вмісту поверхнево-активних речовин у воді, що використовується підприємством // Тези IV міжнародної конференції студентів, магістрів та аспірантів «Сучасні проблеми екології», 14–17 березня 2007 року. – Житомир: ЖДТУ, 2007. – С. 270–272.

12. Водний кодекс України від 06.06.1995 // Наш край. Спецвыпуск. – 1996, май.

13. Проект нормативов предельно допустимого сброса (ПДС) в пруд на балке (левый приток р. Грузская, бассейн р. Казенный Торец) АОЗТ «Веско». – Ясиноватая, 2000.

14. Постанова Кабінету Міністрів України № 1100 від 11 вересня 1996 р. "Про порядок розроблення і затвердження нормативів гранично допустимого скидання забруднюючих речовин та перелік забруднюючих речовин, скидання яких нормується".

15. Артамонов В. Н. Принципы поэтапного гидровоздействия на угольный пласт и эффективность его применения в шахтах // Известия Донецкого горного института. – № 2 (6). – Донецк: ДонГТУ, 1997. – С. 73–79.

16. Норов Ю. Д., Мардонов У. М., Тошев О. Э. Изучение влияния водных растворов ПАВ на изменение прочности горного массива // Горный журнал. – 2005. № 3, март. – С. 15–16.

17. Камуз А. М., Артамонов В. М., Єфімов В. Г. Аналіз стану виконання заходів зі зниження шкідливого впливу АТЗТ «Веско» на навколишнє природне середовище // V Міжнародна наукова конференція аспірантів та студентів «Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів». – Донецьк, 11–13 квітня 2006: Збірка доповідей. – Т. 2. – Донецьк, 2006. – С. 76–77.

18. Артамонов В. М., Камуз А. М. Використання поверхнево-активних речовин і вирішення проблем забруднення природних водних об’єктів // Геотехнологии и управление производством ХХI века. Сборник научных трудов ІІ международной научно-практической конференции в г. Донецке 2–3 октября 2007 года. – Донецк: ДонНТУ, 2007. – С. 260–265.

19. Артамонов В. М., Камуз А. М. Екологічні наслідки забруднення водних об’єктів поверхнево-активними речовинами та можливості його зниження // Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів. Матеріали четвертої міжнародної науково-практичної конференції; м. Дніпропетровськ, Україна, 02–05 жовтня 2007 р. / Редкол.: А. Г. Шапар (голов. ред) та ін.. – Дніпропетровськ: ІППЕ НАНУ, 2007. – С. 49–50.

20. Артамонов В. М., Камуз А. М. Вирішення проблем забруднення природних вод поверхнево-активними речовинами // Научная конференция "Молодые ученые – географической науке", 24–25 октября 2007 г. – К.: КНУ им. Т. Шевченко, 2007. – С. 52–54.