Рис. 1 – Модель возможной экономически эффективной модели фитодобычи
Авторы: Шипика О.С., Скринецкая И.В., Завьялова Е.Л.
ИЗВЛЕЧЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ МЕТАЛЛОВ ИЗ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ
Шипика О.С., Скринецкая И.В., Завьялова Е.Л.
Донецкий национальный технический университет
В работе рассмотрен новый способ извлечения соединений металлов из загрязненных почв – фитодобыча, представлена общая модель реализации способа, а также проанализированы его достоинства и недостатки и перспективы применения в промышленном регионе Донбасс.
В настоящее время проблема актуальности восстановления природно-ресурсного потенциала планеты не вызывает сомнений. В тоже время с развитием научно-технического прогресса увеличились не только объемы потребления ресурсов, но и загрязнение окружающей среды практически всеми элементами таблицы Менделеева. Особое беспокойство вызывает загрязнение металлами, которые накапливаются в почве и медленно удаляются: для цинка - от 70 до 510 лет, для кадмия - от 13 до 110 лет, для меди - от 310 до 1500 лет и для свинца - от 740 до 5900 лет. И это при том, что металлы являются неотъемлемым компонентом практически в любом виде производства, являются главным элементом конструкционных материалов и незаменимы в электротехнике.
Среди относительно новых способов добычи металлов, а также способов очищения загрязненных почв особое место занимает фитодобыча (с англ. phytomining). Сущность фитодобычи заключается в использовании естественной способности растений аккумулировать тяжелые металлы в собственной биомассе с последующей утилизацией этих растений (компостирование, сжигание и др.) с целью получения металлов.
Первые упоминания о фитодобыче появились в качестве составляющей темы фиторемедиации – комплекс методов очистки окружающей среды посредством применения зеленых растений, в частности использования их аккумулирующей способности. Однако как отдельное направление фитодобыча появилась в 1997 году с открытием явления накопления золота в растениях, и в 1998 году уже сформировалась концепция фитодобычи золота. В 2003 году были проведены фундаментальные полевые исследования в Новой Зеландии и Бразилии, подтверждающие данную концепцию.
Растения, способные аккумулировать высокие концентрации тяжелых металлов называются гипераккумуляторами. Причем было установлено, что концентрация тяжелых металлов в таких растениях может быть в 100 раз больше в сравнении с обычными растениями – неаккумуляторами. Так в настоящее время известно около 300 видов растений-гипераккумуляторов никеля, 26 - кобальта, 24 - меди, 16 - цинка, 19 - селена, 11 - магния, 1 - кадмия и 1 - таллия [1].
Ведущими специалистами в данной области во главе с Робертом Бруксом был предложен цикл фитодобычи (рис. 1).
Рис. 1 – Модель возможной экономически эффективной модели фитодобычи
Цикл фитодобычи начинается с этапа выбора и посева соответствующего сорта растения – гипераккумулятора и если требуется подготовки почвы под высаживаемое растение. В период ожидания дозревания, когда растение достигает максимальной высоты, почву обрабатывают химическим веществом, например для растворения золота. Растение поглощает содержащуюся золотую воду из почвы в процессе «дыхания» и из крошечных пор на поверхность листьев выступает вода, а само золото накапливается в биомассе. Сбор урожая гипераккумуляторов и уборку посевных площадей производят стандартными агротехническими способами. Непосредственная обработка биомассы гипераккумуляторов производится в зависимости от вида растения и поставленных целей производства. При этом возможно как получение металлов, так и получение тепловой энергии. В дальнейшем после сбора и обработки урожая возникает вопрос: достаточно ли высока осталась концентрация металлов в почве для последующего выращивания урожая с получением положительного экономического эффекта? В случае если ответ отрицательный, то есть когда рудное тело (почва загрязненная металлами) истощено, тогда решается вопрос о том либо завершить цикл (в случае полного истощения (очищения) почвы), либо существует возможность улучшить свойства почвы путем вспашки, освежения почвы или извлечения главного поверхностного слоя почвы. Если же последний вариант возможен и при этом концентрация металлов в почве остается достаточной для следующего цикла, то в случае необходимости вносятся удобрения и возникает вопрос о необходимости пересева (севооборота) растений. В случае отсутствия необходимости изменения севооборота цикл повторяется по вышеуказанной схеме, начиная от сбора урожая. В случае если пересев растений необходим, то возвращаемся к начальному этапу цикла и в соответствии с условиями производится выбор гипераккумуляторов и подготовка почвы.
В производстве каждого вида гипераккумулятора присутствует своя специфика. Так при фитодобыче никеля и кобальта хорошими аккумуляторами являются растения рода Alyssum, в них может накапливаться 1000 мг никеля или кобальта на 1 кг сухой биомассы [2]. При выращивании таких растений следует создавать следующие условия:
Для непосредственного извлечения металлов растения собирают обычным способом, затем высушивают. В дальнейшем сухую биомассу сжигают для получения золы с утилизацией либо без утилизации тепла. Органический материал может быть обработан путем обжига, спекания или плавления при температуре 260-816 0С, что позволяет извлекать металл из золы или руды обычным способом очистки металлов (растворение в кислоте, электролитическое выделение).
Таким образом, очевидны как достоинства, так и недостатки фитодобычи. К недостаткам можно отнести:
Среди достоинств способа следует отметить, что на ряду с традиционными методами добычи металлов данный способ имеет гораздо более упрощенную техническую и технологическую схему производства и как следствие требует меньших капитальных затрат.
Данное направление исследований представляет огромный интерес для промышленных регионов и в частности для Донбасса – крупнейшего промышленного центра Украины и Восточной Европы, где сконцентрирована основная часть экологически опасных производств, которые длительное время оказывали негативное воздействие на окружающую среду. Согласно ежегодным отчетам об экологическом состоянии почв Донецкой области [3] на территории области среднее содержание свинца почти в 3 раза выше в почвах городов (96,8 мг/кг) по сравнению с сельскими районами (35,4 мг/кг); среднее содержание цинка в почвах городов (228,1 мг/кг) более чем в 3 раза большего содержания в почвах сельской местности (60,8 мг/кг); фоновая концентрация хрома (96,0 мг/кг). Из представленных данных можно сделать вывод о широких перспективах применения фитодобычи на территории Донбасса, что позволит получить не только положительный экономический, но и экологический эффект.
Список литературы: