Химическое закрепление засоленных песков Кок-Дарьи Арала с помощью композиций-закрепителей

Введение. Химическая мелиорация подвижных засоленных песков и почвогрунтов – это наука о пустынях, призванная исследовать закономерности природных процессов аридной зоны, целенап­равленно влиять, а со временем и управлять этими закономерностями. Для решения глобального вопроса экологии осушенного дна Аральского моря и Приаралья выполнение комплекса работ по закреплению опустыненных заселенных песков и почвогрунтов предполагает поиск дешевых, нетоксичных и доступных реагентов-закрепителей.

Цель работы. Закрепление засоленных песков Кок-Дарьи осушенного дна Аральского моря с использованием новых комплексных добавок-закрепителей (реагенты и производственные отходы), которые будут способствовать созданию на небольших поверхностных толщах песков прочной водостойкой структуры (корка почвы способная удерживать корневую систему растений) в сочетании химического закреплении с фитомелиорацией. Это позволит использовать данные площади для посева солестойких растений, а также резко сократить запесочивание и засоление соседних плодородных земель вследствие ветровой эрозии.

Объекты и методы. Выполнение комплекса работ по закреплению опустыненных засоленных песков осушенного дна Аральского моря предпо­лагает поиск дешевых, нетоксичных и доступных реагентов-закрепителей. В качестве объектов исследования были использованы пески, взятые в районе реки Кок-Дарьи (осушенное дно Аральского моря – 200 км от Нукуса). Образцы отбирались на глубине 0-5 см. Они отличаются между собой в основном содержанием водорастворимых солей.

Результаты исследований минералогического и химического составов засоленных песков Кок-Дарьи осушенного дна Арала показали, что образцы засоленных песков побережья Кок-Дарьи полимине­рализованы. Преобладающими из водорастворимых солей являются хлориды и сульфаты натрия. Модуль крупности песка – 0,85, содержание водорастворимых солей –1,9 %; в качестве примеси к кварцу отмечены: полевые шпаты и кальциты. По гранулометрическому составу в песке Кок-Дарьи преобладают частицы 1,00-0,05 мм, общей химический анализ песка Кок-Дарьи составляет: SiO₂ – 89,24%, Al₂O₃-2,36, Fe₂O₃-1,89, SO₃-0,11, CaO-1,11, MgO-0,95, K₂O-1,85, Na₂O-1,37.

В результате проведенных исследований показано, что кривые дифференциального термического анализа песка Кок-Дарьи различаются по эндоэффектам. При температуре 90-150⁰С наблюдаются одинарные или двойные эндотермические эффекты, что обуславливается выделением гигроскопической воды. Общая потеря веса для песка Кок-Дарьи, величина потерь веса по термограммам имеет незначительные значения и составляет от 0,75 до 2,20%. На рентгенограммах образцов ярко выражены линии гидрослюды, каолинита, кварца, полевого шпата и других минералов (рис.1).

Рисунок 1. Рентгенограмма образца песка Кок-Дарьи Арала

Закрепление засоленных песков побережья Кок-Дарьи Арала с использованием комплексных добавок-реагентов и промышленных отходов будет способствовать созданию на небольших толщах прочной водостойкой структуры. Путем химического закрепления поверхности частиц твердой фазы добавками закрепителями получена механическая и водопрочная структура в песчаной дисперсии. Для закрепления песков и почвогрунтов представляют интерес комбинированные добавки из минеральной и органической составляющих.

В соответствии с поставленными в работе задачами был использован комплекс методов исследований. К ним относятся группы методов, позволяющих исследовать физико-химические свойства подвижных песков; процессы образования структур в водных дисперсиях закрепителя; взаимодействие песка со структурообразователями; изменение прочности контактов между частицами песка; механические, температурные, водно-физические, ветровой эрозии и другие свойства полученных защитных покрытий.

Водостойкость структуры характеризовали проведенными нами исследованиями для песков Казахдарьи в работах [5, p. 314-320.], содержанием водопрочных агрегатов (размером более 0,25 мм) по методике Павлова [1, с. 273].

Исходный порошок воздушно-сухого почвогрунта (фр. ≤ 1мм) помещали в чашку Петри, обрабатывали водой или водным раствором, вводили добавку при водо-твердом отношении 1:2 и после двухчасовой выдержки навеску высушивали при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния. Агрегатный состав характеризовали количественным содержанием в почве водопрочных агрегатов (ВПА).

Состав фракций крупнее 0,25 мм определяли просеиванием подготовленной указанным способом почвы на ситах в воде. Для этого подготовили ванну (глубокий таз или ведро) с водой и сита с отверстиями в 1 мм и 0,25 мм. Внизу ставится сито с отверстиями в 0,25 мм, а сверху – сито с отверстиями в 1 мм. В таком виде сита погружаются в ванну с водой, уровень которой должен быть не выше 5-6 см над бортом верхнего сита.

Как только взята пипеткой последняя фракция, немедленно почва из цилиндра переносится на сита, установленные в ванне. Для этого цилиндр закрывают стеклянной пластикой, перевертывают на 180⁰С и погружают в воду над ситами, стеклянную пластику под водой убирают и круговым движением цилиндра равномерно распределяют почву на поверхности верхнего сита.

Когда крупные частицы почвы опустятся на верхнее сито, примерно через одну минуту цилиндр под водой закрывают стеклянной пластикой и убирают его. Затем сита приподнимаются (но не вынимаются из воды полностью), плавными движениями вверх и резкими движениями вниз и так 10 раз встряхиваются в воде. В результате таких движений почва просеивается через два сита. Агрегаты, обладающие прочностью, остаются на ситах, а размытые водой проходят через оба сита в ванну. После этого сита вынимаются, почва с них смывается в фарфоровые чашечки, высушивается сначала на водяной бане (или осторожно на песчаной), а затем в сушильном шкафу при 105⁰С. Чашечки должны быть предварительно пронумерованы и взвешены на весах.

После высушивания чашки с фракцией охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Результаты вычисляют в процентах к весу сухой почвы:

Х =

где: х – процентное содержание фракции;

а – вес фракции в сухом виде, г;

20 – навеска, взятая для анализа, г.

Эта часть анализа называется макроагрегатным анализом. С его помощью определяют прочные агрегаты размером 0,25 мм и крупнее.

 Прочность при сжатии приготовленных кубиков (размером 3х3х3 см) из закрепленного с помощью связующих полимеров песка определяли на гидравлическом прессе – «ГОСТ 10180-90. Методы определения прочности на контрольных образцах».

Экспериментальная часть. Ранее нами в работах [4, р.145-147], предложены определенные типы реагентов-структурообразователей в целях создания искусственных структур в засоленных почвогрунтах и песках. В качестве реагентов-закрепителей были испытаны дешевые промышленные полимеры и производственные отходы. В данной работе путем химического модифицирования поверхности частиц твердой фазы добавками [3, с.58-61] получена механически и водопрочная структура в песчаной дисперсии [2, с.336-339].

Закрепление поверхностного покрова засоленных песков Кок-Дарьи проведены с помощью песок-связующих полимеров (водорастворимый полимер МПК-1 (аналог полимера К-9, полученный путем гидролиза отхода волокна «Нитрон» при температуре 105-110⁰С) при концентрации 0,1; 0,3; 0,5 и 0,7%, а также их композиции с древесной опилкой). На закрепленных композицией полимером песка изучена всхожесть солестойких семян (на примере: житняка – Agropyron cristatym u полыни – Artemisic ferganensis).

При закрепления засоленных песков Кок-Дарьи проводили опыт на поверхности песка водным раствором водорастворимого полимера МПК-1 (продукт непольного омыления полиакрилонитрила в щелочном растворе в мягких условиях), предварительно в песок вносили 0,26 кг/м² измельченной добавки – древесная опилка, просеянной через сито 0,5 мм, затем эту смесь тщательно перемешивали. Для дальнейшей обработки использовали раствор полимера МПК-1 с концентрацией 0,1-0,7%. Это осуществляли следующим образом. При обработке поверхность песка опрыскивали раствором полимера МПК–1, а в случае посева семян солестойких растений опрыскивание производили после посева. Влияние композиции добавок-закрепителей (полимер МПК-1 и его композиции добавками – древесная опилка) на формирования водопрочных агрегатов – ВПА, а также на величину прочности при сжатии приведены в табл. 1-2.

В табл. 1 приведены результаты по влиянию добавок закрепителей на формирование водопрочных агрегатов (ВПА), а в табл. 2 – на механическую прочность поверхностной корки. Как видно, величина ВПА для песка без добавки-закрепителя составляет низкое значение – 6,31 %.

Опрыскивание поверхности песка водным раствором полимера МПК-1 при концентрации 0,1 и 0,3 % и их смеси с добавками – древесная опилка незначительно способствует повышению прочности структуры и числа ВПА (прочность 0,63 – 0,78 МПа и ВПА 28,46-29,36%) для 0,1%-ного раствора полимера; прочность 1,31 – 1,48 МПа 45,05-48,42% для 0,3%-ного раствора полимера, соответственно). При концентрации водного раствора полимера МПК-1 0,5 и 0,7% и их композиции с древесной опилкой прочность возникшей структуры удалось повысить до 2,13-2,59 МПа для концентрации полимера 0,5% и до 2,95-3,12 МПа для концентрации полимера 0,7%, а также числа ВПА 64,33-70,63% и 71,46-77,93%, соответственно.

Следует также отметить, что наряду с увеличением общего количества водопрочных агрегатов (ВПА), происходит и их перераспределение по размерам. Если для 0,1 %-ного раствора полимера МПК-1 характерно преимущественное образование агрегатов размером 0,25-0,5 мм, то для 0,5% и 0,7%-ного раствора полимера МПК-1 и его композиций с древесной опилкой наоборот, преобладают крупные агрегаты размером > 2,0 мм. Это свидетельствует о том, что при закреплении засоленных песков комплексными добавками поверхностные слои песка переходят из свободно-дисперсного состояния в связно-дисперсные путем формирования структуры корки, состоящей из водопрочных макроагрегатов частиц.

Таблица 1.

Влияние добавок закрепителей (полимер МПК-1 и его композиции с древесной опилкой - ДО) на формирование водопрочных агрегатов – ВПА в засоленном песке Кок-Дарьи Арала

Таблица 2.

Влияние добавок-закрепителей (полимер МПК-1 и его композиции с древесной опилкой – ДО) на прочность образцов засоленного песка Кок-Дарьи Арала (вода-твердое отношение 1:4, кубики 3х3х3 см)