В статье рассмотрены причины, сдерживающие применение органических кислот для очистки грунтов, загрязненных тяжелыми металлами.
Ключевые слова: тяжелые металлы, экстрагенты, органические кислоты.
В связи с постоянным и активным развитием промышленности, энергетики и транспорта, активным применении минеральных удобрений повышается уровень загрязнения природной среды, особенно почвы. Рост потребления в свою очередь влечет за собой повышение образования отходов. Среди наиболее опасных загрязнителей являются тяжелые металлы. Рост технологичности продукции и широкое применение в промышленности и в быту металлов влечет за собой повышенное поступление их в отходы. Наряду с проблемой загрязнения почв металлами необходимо также рассматривать проблему загрязнения компостов, являющихся результатом обработки отходов ТБО и имеющие ограничение применения.
Распределение загрязнителей определяется как природными факторами, так и интенсивностью хозяйственно-бытовой деятельностью человека. Воздействие тяжелых металлов, попадающих в организмы животных и человека, отрицательно сказывается на протекании жизненно важных процессов. Таким образом, мониторинг за этими загрязняющими веществами и поиск эффективных, рациональных способов их извлечения, является необходимыми для формирования благоприятной экологической среды.
Биодоступность загрязнителей зависит от сочетания множества факторов: типа металла, химической формы, и формы нахождения в почве (подвижности) [1].
В окружающей среде металлы присутствуют в почвах в виде различных химических веществ в растворимой и твердой фазах. Металлы в растворимой фазе способны к обмену в почвенном растворе, то есть находятся в подвижной форме, и могут поступать в растения. В твердой фазе металлы связаны прочными комплексами с органическими веществами и минералами. Твердая фаза представлена металлами в малоподвижной и неподвижной формах с низкой биодоступностью, которые при определенных естественных условиях (изменениях рН среды в кислую сторону) могут переходить в доступную для растений форму и представлять потенциальную опасность. Соответственно, следует извлекать как подвижные, так и неподвижные формы тяжелых металлов.
Биодоступность металла может быть усилена применением химических экстрагентов, различных кислот, которые образуют комплексы с металлами, в результате чего металлы становятся подвижными, следовательно, биодоступными. [2]
Применение сильных неорганических кислот, эффективность которых при десорбции металлов из почвы считается выше, ограничивается негативным воздействием на структуру почвы и возможностью вторичного загрязнения. Поэтому рекомендуется подбирать альтернативные экстрагенты, которые распространены в природе и имеют естественное происхождение — биоразлагаемые органические кислоты. Лимонная, щавелевая и яблочная кислоты — природные соединения, характеризующиеся слабой токсичностью и высокой биоразлагаемостью [3].
При удалении тяжелых металлов из почвы, компостов, комплексообразующими агентами, не производятся токсичных побочных продуктов. Природные хелатообразующие агенты являются недорогими, безопасными и возобновляемыми ресурсами [4].
Механизм экстракции тяжелых металлов органическими кислотами
Лимонная и щавелевая кислоты обладают способностью поглощения, транспортировки ТМ и снижения физиологической токсичности свободных ионов металлов [5]. Такие экстрагенты называют хелатирующими агентами. Кислоты выделяют ионы металлов из обменных групп, которые слабо связаны с различными минеральными и органическими составляющими почвы (например, карбонаты) [1]. В результате образуются относительно устойчивые комплексы с металлами, имеют большой потенциал для мобилизации металлов из почвы [5].
Эффективность извлечения тяжелых металлов с использованием низкомолекулярных органических кислот зависит от следующих факторов:
− Концентрации раствора (извлечение тяжелых металлов увеличивается с увеличением концентрации раствора).
− Значения рН (чем ниже значения рН тем выше растворимость металлов).
− От восстановительных свойств кислот (количество карбоксильных групп: трикарбоновая кислота (лимонная кислота) имеет большую экстракционную способность, чем дикарбоновая (щавелевая кислота) или монокарбоновая (уксусная кислота).
В дальнейшем мобильные формы тяжелых металлов для завершения очистки загрязненного грунта необходимо извлекать. Способами удаления являются — вымывание экстрагирующего раствора или фитоэкстракция.
Часто обработка загрязненных почв растворами кислот сопровождается фитоэкстракцией, что приводит к выносу загрязняющих веществ из почвы. Эффективность извлечения связана с поглощением и перемещением к надземным частям растений. Однако низкая биодоступность и ограниченная транслокация некоторых металлов становятся преобладающими ограничениями в фитоэкстракции, поэтому эти приемы используются совместно.
Возможность использования впромышленном масштабе
Промывание загрязненных грунтов с мобилизированными формами тяжелых металлов органическими кислотами сопровождается следующими эколого-экономическими аспектами. При многих преимуществах способа извлечения тяжелых металлов из загрязненных сред, таких как достаточная степень экстракции, простота подбора, экономичность и безопасность реагентов, имеет ряд недостатков. При обработке больших объемов загрязненных грунтов применение его может быть ограничено, что связано со следующими причинами:
а) в масштабе промышленной очистки больших объемов (например, компостов ТБО) возникают сложности в организации технологического процесса, а в лабораторных условиях установка и оборудование для проведения обработки не занимает больших площадей и не требует существенных капиталовложений;
б) процесс экстракции требует определенной концентрации реагентов, несмотря на общедоступность органических кислот (щавелевой, лимонной), и относительно высоких расходов на их приобретение;
в) не рационального водопотребления, так как необходимы значительные объемы воды, расходуемые для приготовления экстрагирующих растворов и промывки почвы;
г) образования в результате экстракции больших объемов отработанных растворов, содержащих загрязняющие вещества, и требующих сооружения накопительных емкостей и очистных сооружений.
д) ввиду не селективности кислот присутствует риск вымывания питательных микроэлементов.
Таким образом, промывание крайне затратный метод при больших масштабах обработки и влечет за собой новую проблему — загрязненный тяжелыми металлами отработанный раствор.
Применение метода извлечения тяжелых металлов с помощью экстракции органическими кислотами является возможным в случае локальных местных загрязнений небольших участков, а также совместного использования со способом фитоэкстракции, с последующим удалением полученной биомассы растений, накопившей подвижные формы тяжелых металлов. При этом возникает проблема утилизации загрязненной биомассы.
Литература:
- Evaluation of the performance of chemical extractants to mobilise metals for remediation of contaminated samples José M. Soriano-Disla, Roberto D. Calupiña-Moya, Silvia Martínez-Martínez, Raúl Zornoza, Ángel Faz, José A. Acosta Journal of Geochemical Exploration 193 (2018) 22–31
- The use of a biodegradable chelator for enhanced phytoextraction of heavy metals by Festuca arundinacea from municipal solid waste compost and associated heavy metal leaching, Shulan Zhao, Lina Jia, Lian Duo Bioresource Technology
- Fractionation of heavy metals in sewage sludge and their removal using low-molecular-weight organic acids, Ernestas Zaleckas, Valdas Paulauskas, Egle˙ Sendzˇikiene Journal of environmental engineering and landscape management 2013 Volume 21(3): 189_198
- Removal of heavy metals (Cu, Ni, Zn, Pb, Cd) from co mpost by molass es hydrol ysate, Emine Elmaslar Özba, Nilgün Balkaya, Journal of environmental engineering and landscape management
- The Role of Organic Acids in the Mobilization of Heavy Metals from Soil Jong-Oh Kim, Yong-Woo Lee, and Jinwook Chung Received June 22, 2012/Accepted February 5, 2013
