Оценка потенциального геоэкологического риска при деструкции медного шлака в процессе его хранения в условиях горно-лесной области континентальной зоны.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 25-77-00021

НазваниеОценка потенциального геоэкологического риска при деструкции медного шлака в процессе его хранения в условиях горно-лесной области континентальной зоны.

Руководитель Маричев Максим Сергеевич, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный аграрный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №110 - Конкурс 2025 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка молодых ученых»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-711 - Геоэкология и природопользование

Ключевые слова медные шлаки, техногенез, загрязнение почв, тяжелые металлы, выщелачивание, потенциальные источники вреда

Код ГРНТИ87.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В результате динамичного развития металлургической отрасли, на данный момент накоплено огромное количество техногенных минеральных образований, среди которых значительную долю составляют шлаки медной плавки. Как правило данные шлаки складируются в близи комбинатов, на открытой местности. В результате из-за интенсивной техногенной нагрузки, исходящей от металлургических предприятий в условиях сурового климата (высоких и низких температур), формируются агрессивно-стрессовые условия, усиливающие деструкцию медных шлаков. В результате, шлаки, которые принято считать относительно инертными в условиях хранения природной среды, становятся более подвержены деструкции и несут потенциальную угрозу для окружающей среды и здоровья человека. Данная ситуация присутствует во многих центрах с широко развитой металлургической деятельностью, но особо сложная и требующая кардинальных решений сложилась в Челябинской области в районе г. Карабаш. На данной местности, в условиях высокой техногенной нагрузки, исходящей от металлургического комбината, складируется значительное количество медного шлака, который в условиях кислых атмосферных выпадений подвержен деструкции. В результате, с потоками осадков, талых вод и формирующегося поверхностного стока высвободившиеся из шлака тяжелые металлы будут мигрировать в соседние экосистемы. Вторичное использование данного техногенного минерального образования в данный момент направлено преимущественно в качестве абразива и материала, используемого при строительстве и ландшафтных работах. Однако, полноценных, приближенных к естественным природным условиям и долгосрочных исследований, отражающих степень выноса из шлака тяжелых металлов, не проводилось. В связи с чем, для исключения исходящей потенциальной угрозы от медного шлака, необходимо оценить экологические риски, при его хранении и использовании. Целью данного проекта является выявление потенциальной экологической угрозы и оценка степени воздействия шлака на компоненты окружающей среды (почва, вода, донные отложения) при его хранении в естественных природных условиях. Научная новизна данной работы заключается в комплексном подходе изучения степени деструкции шлака и выноса из него тяжелых металлов при воздействии на него кислых атмосферных выпадений, при чередовании низких и высоких температур, встречающихся в условиях области его складирования. При проведении работ будут применены современные исследования минеральной массы шлака раной степени деструкции, а также промывные воды, методами X-ray спектроскопии, Фурье спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). В результате, будет получена детальная картина выноса продуктов при деструкции шлака, с учетом величины дисперсности агрегатов, и устойчивости к внешним физическим и физико-химическим факторам. Актуальность решения данной проблемы заключается в необходимости устранения угрозы загрязнения экосистем (почвы, воды, донных отложений), расположенных в близи места хранения отвалов медного шлака и районов с его применением.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта предполагается проведение лабораторных экспериментов с отвальной массой шлака, путем промывания шлака в колонках. Экстрагенты подобранны в соответствии с химическим составом и кислотностью приближенным к атмосферным выпадениям в районе складирования шлака. В результате эксперимента, будет получен детальный химический состав промывных вод из шлака. Установлена динамика выноса тяжелых металлов по истечение продолжительности воздействия промывных вод. Выявлена степень деструкции шлака в зависимости от изменения температуры окружающей среды. Проведена оценка потенциальной угрозы и степени деструкции шлака на экосистемы с условием нахождения на местности дополнительных агрессивных источников (газопылевых выбросов, сульфидных отвалов) В ходе работ будет получен детальный минералогический и химический состав фракций шлака разной дисперсности, а также его изменение в процессе складирования и возможные пути его дальнейшего использования. По результатам исследования будут составлены рекомендации по дальнейшему безопасному использованию медного шлака и условиям его хранения, для исключения несения экологического вреда окружающей среде и здоровью человека.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2026 году
В ходе выполнения проекта в первый год его реализации, осуществлен отбор проб силикатного медного шлака, а также почв, поверхностных вод, донных отложений и осадков, вблизи складирования шлакоотвала (г. Карабаш, Челябинская область). В ходе отбора проб шлака, у его подножья выявлены ярко выраженные зоны окисления шлака, залегающие слоями. Данные зоны, имеют рыжевато-охристую окраску, структурные отдельности шлака достаточно уплотнены между собой. В почвенном профиле у подножья шлакоотвала, наблюдается ярко выраженная дифференциация материала, с образованием в 0-18 см слое почвы мелкодисперсного охристого материала, в минералогическом отношении состоящего из мусковита (40,7%), кварца (31,4%), фаялита и анортита. На глубине почвенного профиля 63-80 см, в минералогическом составе идентифицируется такой минерал как эттрингит, формирующиеся в данном случае в результате выщелачивания из массы шлака анортита и группы сульфидных минералов в условиях щелочной реакции среды (рН 10,5 ед). При сравнении химический состава окисленного шлака, залегающего в почве на глубине 20 см, из толщи шлакоотвала (20 см от поверхности), выявлены существенные различия. Одной из ярких особенностей окисленного шлака, является присутствие значительно более высоких концентраций Si, Al, K, Cu и Mg. Концентрация элементов, входящих в состав кристаллической структуры шлака, залегающего в почве, в сравнении со шлакоотвалом, выше для: Si – 1,4; Al – 4,1, K – 7,5 раз. Концентрации Cu и Ca, которые унаследованы от исходной породы, в сравнении с не окисленным шлаком из шлакоотвала, выше в 21,2 и 5,2 раз соответственно. Концентрация Pb увеличилась в 95 раз, As – в 2 раза, S – в 3,7 раз. Содержание Zn и Mn, имеет тенденцию к уменьшению в окисленном шлаке (в почве) в сравнении с исходным (в шлакоотвале): для Zn – в 1,7, для Mn – в 1,5 раз. В ходе окислительных процессов стекловидная фаза шлака разрушается, из кристаллических решеток минералов мигрируют такие элементы, как Mn и Zn, а содержание Pb, As, S, Cu увеличивается путем их сорбции. Результаты проведенных лабораторных испытаний шлака по промывкам имитированными кислыми осадками с рН 4,3 ед. свидетельствуют о значительной доле выноса тяжелых металлов с промывными водами. Выявлена неоднородность в скорости перехода металлов в раствор, с цикличностью увеличения и уменьшения концентраций в элюате в среднем по истечение 60 суток. Суммарный вынос среди и исследуемых тяжелых металлов ранжируется в порядке Zn>Cu>Pb>Cd. Кроме того, наблюдается неоднородность перехода элементов в раствор. Так уровень содержания меди в элюате, обратно пропорционален содержанию кадмия. Минимум выноса меди из шлака наблюдается на 70-84 суток взаимодействия отвальной массы имитированными кислыми осадками, в это же время фиксируется увеличение выноса кадмия. Выщелачивание свинца из отвальной массы шлака не имеет выраженной зависимости с выносом других элементов. Суммарно, за время проведения эксперимента, из шлака массой 267 г. выщелочено при экстракции кислыми атмосферными осадками в варианте с содержанием серной кислоты в концентрации 1·10-2 моль-экв/л: Pb – 5,87 мг, Cu – 140,71 мг, Cd – 0,5455 мг и Zn – 2893,16 мг. Таким образом, учитывая, что складируемая масса отвалов исследуемого шлака составляет в среднем 15 млн. тонн, то в окружающие экосистемы будет поступать значительные потоки тяжелых металлов, что несет потенциальные экологические риски на экосистемы. Другой лабораторный эксперимент по исследованию кинетики выщелачивания тяжелых металлов кислыми атмосферными осадками показал, что медный шлак, за короткий промежуток времени проявляет двухэтапную цикличность выщелачивания. Первые 60 минут идёт активное удаление металла, затем устанавливается баланс, обусловленный формированием защитных слоев и осадков на поверхности шлака. При +18∘C, максимальный пик достигается раньше, что соответствует быстрому растворению поверхностных примесей и активному процессу выщелачивания. При +4∘C, значительные изменения концентрации вызываются нестабильностью формирующихся защитных слоев и интенсивностью растворения. При −1∘C, минимальный уровень концентрации наблюдается по истечении 60 минут, затем внезапный подъем, что свидетельствует о формировании плотной защитной плёнки и её позднем разрушении, в результате криолизации раствора. Выявлено значительное влияние pH раствора на кинетику растворения шлака и переход металлов в раствор. Оптимальные условия включают поддержания низкого уровня pH и достаточное время выдерживания образца в растворе. Дальнейшие исследования позволят создать надежные модели предсказания поведения материала в реальных производственных процессах. Наблюдается существенная зависимость перехода цинка в раствор в зависимости от размеров частиц шлака. В связи с увеличением эффективной площади поверхности мелких фракций, улучшением проникновения кислоты и повышением общей активности реакции. https://vk.com/feed?w=wall-195864574_15074

Публикации

1. Шабанов М.В., Маричев М.С., Адам А.М., Соколова С.А. «Моделирование выщелачивания медного шлака и оценка потенциальных экологических рисков» «Устойчивое развитие горных территорий», Шабанов М.В., Маричев М.С., Адам А.М., Соколова С.А. Моделирование выщелачивания медного шлака и оценка потенциальных экологических рисков // Устойчивое развитие горных территорий. – 2026. – Т. 18. – № 2. – С. 629–643. (год публикации - 2026)
10.21177/1998-4502-2026-18-2-629-643.

2. «Исследование кинетики и механизма выщелачивания тяжелых металлов из медных шлаков в условиях кислых атмосферных осадков» «Исследование кинетики и механизма выщелачивания тяжелых металлов из медных шлаков в условиях кислых атмосферных осадков» «Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal)», Горный информационно-аналитический бюллетень. 2026. № 6. С. 83–97. (год публикации - 2026)
10.25018/0236_1493_2026_6_0_83