В СПбГАУ выяснили, как кислые осадки превращают медные шлаки в источник загрязнения
Ученые Санкт-Петербургского государственного аграрного университета и Южного федерального университета установили, что кислые атмосферные осадки высвобождают медь, цинк и свинец из отходов медеплавильного производства. В лабораторных экспериментах мелкие частицы шлака выделяли в воду до 17,5 раза больше металла, чем крупные, а наиболее активно загрязняющие вещества вымывались в первый час.
Медные шлаки образуются при выплавке меди и обычно хранятся в отвалах рядом с предприятиями. Они похожи на горную породу, но содержат соединения меди, цинка, свинца и других тяжелых металлов. Осадки постепенно разрушают шлак, и металлы могут попадать в почвы, водоемы и донные отложения.
Риск особенно высок в промышленных районах, где выбросы повышают кислотность дождя и снега. Обычные лабораторные испытания показывают общее количество выделившихся веществ, но не динамику процесса при разных температурах и размерах частиц. Ученые исследовали шлак из отвала в северной части Карабаша Челябинской области — одного из крупнейших центров медеплавильной промышленности России.
«Анализ показал, что шлак представляет собой стекловидную массу с порами и микротрещинами. В ней присутствуют кварц, фаялит, силикаты цинка и сульфиды металлов. Такой состав указывает на риск высвобождения тяжелых металлов под действием кислых осадков», — рассказал доцент кафедры почвоведения и агрохимии имени Л. Н. Александровой Михаил Шабанов.
Исследователи приготовили кислый раствор серной и угольной кислот, имитирующий осадки в районе Карабаша. Шлак выдерживали в нем при температуре плюс 18, плюс 4 и минус 1 градус от 20 минут до 20 часов, а затем измеряли содержание меди, цинка и свинца.
Вымывание металлов проходило в два этапа. В первые 60 минут кислота удаляла вещества с поверхности частиц и взаимодействовала с наиболее доступными соединениями. Затем процесс резко замедлялся: на шлаке образовывались плохо растворимые соединения и гелеобразные продукты на основе кремнезема, которые закрывали поры и мешали раствору проникать внутрь.
При длительном воздействии кислота все же проникала через микротрещины, а защитная пленка частично разрушалась. В отдельных опытах через 20 часов концентрация металлов снова росла. При плюс 18 градусах реакции шли быстрее всего, при плюс 4 — медленнее. Замерзание при минус 1 градусе ограничивало движение ионов, но разрушение пленки могло вызвать новый выход металлов.
Наиболее уязвимыми оказались частицы размером менее одного миллиметра. За семь часов из них в раствор перешло примерно в 1,45 раза больше цинка и в 2,19 раза больше свинца, чем из частиц размером от одного до трех миллиметров. Для меди различие достигло 17,5 раза. Причина — большая площадь контакта с водой и поры, через которые проникает кислота.
«Мелкие частицы оказались наиболее опасными: из-за большой площади поверхности они быстрее отдают металлы воде. Поэтому при хранении и переработке шлаков нужно учитывать не только химический состав, но и размер частиц, а также сезонные перепады температуры», — отметил доцент кафедры почвоведения и агрохимии имени Л. Н. Александровой Максим Маричев.
Полученные данные позволят точнее оценивать экологические риски, связанные с хранением и вторичным использованием медных шлаков. Исследование опубликовано в «Горном информационно-аналитическом бюллетене». Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-77-00021, в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете