Исследование процесса закрепления засоленных почв

АННОТАЦИЯ

Работа посвящена процессу получения закрепителя засоленных почв. Испытания проводили на засоленной почве высохшего дна Аральского моря. На основании проведенных исследований установлена возможность предотвращения ее уноса созданным закрепителем. Оптимальным оказался закрепитель, состоящий из 40% хлорида кальция, КМЦ и жидкого стекла при соотношении 1:(0,0014-0,065):( 0,008-0,10) соответственно.

ABSTRACT

The article is devoted to the process of obtaining a fixer for salty soils. Tests have been carried out on the salty soil of the dried-up bottom of the Aral Sea. Based on the research, the possibility to prevent its entrapment by the created fixer is stated. The optimum consists of 40% calcium chloride, CMC and liquid glass at a ratio of 1: (0.0014-0.065): (0.008-0.10), respectively.

Ключевые слова: Аральское море, дистиллерная жидкость, жидкое стекло, закрепитель, суспензия, сырьё, хлорид кальция, промывка.

Keywords: the Aral Sea; distillation liquid; liquid glass; fixer; suspension; raw material; calcium chloride; washing.

Ранее экосистема Арала включала сотни видов морской фауны и флоры. Присутствие крупного водоема оказывало смягчающее влияние на климат, что превращало Приаралье своего рода в оазис среди пустыни. Но, в начале 1960-х море начало стремительно отступать [1-4].

В Аральском море теоретически имеется 12968,408 млн.т солей, т.е. ошибка прогноза не превышает ±16%. Пыльные бури ежегодно уносят в среднем 62,39 млн.т солей из бассейна Аральского моря (пылеунос 30%) [5-6].

Полученные из дистиллерной жидкости закрепители засоленных почв были испытаны на почве высохшего дна Аральского моря (табл. 1).

При этом на 1м² засоленной почвы были распылены различного состава закрепители засоленных почв (ЗЗП). После усыхания и отвердения ЗЗП подвергалась ситовому анализу, чтобы проанализировать количества фракций почвы до и после применения ЗЗП. ЗЗП состоят в основном из дистиллерной жидкости (CaCl₂) с добавками жидкого стекла и карбоксилметилцеллюлозы.

Для испытания процесса закрепления использовали засоленные почвы состава (масс%): CaO – 4,45; MgO – 1,36; Cl^- – 3,04; SO₄ – 21,70 и др. Испытания были проведены 4 февраля 2016 года. С использованием двух видов ЗЗП состава, (масс.%): 

 Образцы ЗЗП разбавляли водой при соотношении 1:20 и опрыскивали его по 4 и 8 г на 1м² поверхности засоленных почв. Результаты исследований влияния состава и количества ЗЗП на формирование водопрочных агрегатов (ВПА) и на механическую прочность поверхностной корки приведены в табл.1.

Таблица 1.

Фракционный состав засоленной почвы* Аральского моря до и после применения закрепителя

Примечание: 1- фракционный состав засоленной почвы Аральского моря без применения закрепителя; 2,3,4, 5 – с применением закрепителя.

Как видно из данных, содержание ВПА в исходным засоленном почвогрунте низкое и составляет 15-11%. Опрыскивание поверхности почвогрунта раствором ЗЗП способствует повышению прочности структуры и показатели ВПА.

До опрыскивания ЗЗП (рис.1) поверхности исходных образцов покрыты более пухлыми солями сульфата натрия-тенардита. На поверхности образцов после обработки появляется соляная корка, увеличивающаяся с повышением расхода и концентрации ЗЗП, что более активно проявляется на первых образцах ЗЗП.

Рисунок 1. Внешний вид засоленных почв до и после опрыскивания ЗЗП. Номера образцов соответствуют номерам табл. 1.

Для установления влияния ЗЗП на процесс закрепления определяли химический и фракционный состав образцов.

Ситовой анализ образцов (табл.1) показал, что остаток в поддоне составляет 5,35-10,95%, т.е. ниже, чем у исходного образца.

Увеличение расхода ЗЗП от 4 до 8 г/м² привело к снижению содержания фракции в поддоне. У первого образца остаток на поддоне оказался на 0,9-1,0% больше чем у второго образца.

При увеличении доз ЗЗП в соляном почвогрунте количество ВПА увеличивается примерно в 4-5 раза, особенно заметно упрочняется поверхностная корка до 2,81-3,64 мПа против 0,1-0,3 мПа в исходном.

При этом прочность созданной структуры и ВПА соляного почвогрунта, закрепленного композицией N₁ при расходе 4 и 8 г/м² составляет 2,81-3,12 мПа и 94-95%, а для соляного почвогрунта N₂-2,6-3,0 мПа и 87,30-89,05% соответственно.

Хлорид кальция, содержащийся ЗЗП взаимодействует с частицами тенардита засоленного почвогрунта, образуя кристаллы дигидрата сульфата кальция, которые выпадают в межфазных пространствах в зоне контакта с образованием нерастворимых соляных слоев. В жидкой фазе увеличивается долевое содержание NaКМЦ и Na₂SiO₃, образующие по мере испарения воды тонкую пленку, которая играет роль склеивающего агента, придает прочность и водостойкость формируемой структуре. Химизм процесса закрепления засолённых почвогрунтов (ЗПГ) можно разделить на следующие стадии:

1.   CaCI₂+Na₂SO₄+H₂O→CaSO₄∙2H₂O↓ +NaCI
2.   Na₂O∙nSiO₂+CaCI₂ →2NaCI+CaO∙nSiO₂
3.   nNа₂SiO₃+H₂O →(n-1) Na₂O∙ SiO₂+H₂O ↑+ SiO₂(m-2) H₂O+ NaOН
4.   CaO∙nSiO₂+mH₂O→nSiO₂(m-2)H₂O+Ca(OH)₂
5.   nSiO₂∙(m-2)H₂O + NaKMЦ+2H₂O→Na KMЦ∙nSiO₂∙mH₂O
6.   Na₂O∙nSiO₂+ NaKMЦ+ mH₂O→ NaKMЦ∙nSiO₂∙ (m-2)H₂O

При испарении воды с увеличением концентрации солей щелочных металлов могут протекать реакции 2,3,4 с образованием геля кремнезёма, Ca(OH)₂ и NaCI. В стадии образования SiO₂ в случае присутствия NaKMЦ протекает реакция 5 с образованием клеющей пленки. Реакции протекающий по уравнению 3, 4, 5, можно описать эти реакции значительно усложняются, когда они протекают в засолённом почвогрунте.

Следует отметить, что наряду с увеличением общего количества ВПА происходит их перераспределение по размерам. Если для засолённого почвогрунта, закрепленного раствором N₁ 4г/м² характерно преимущественно образование агрегатов размерами 2,0+0,1 и -0,1+0,5, то при расходе 8г/м² раствора N₁ преобладают крупные агрегаты размером >1,0мм.

Табличные данные показывают, что фракционный состав обработанных закрепителем засоленных почв Аральского моря зависит от состава закрепителя. Сравнение данных показывает, что при применении оптимального количества закрепителя в образце содержатся фракции более 5 мм на 5,62 %, фракций более 3 мм – на 15,38%, более 2мм – на 14,49%, а фракций менее 0,25 мм в поддоне содержалось на 5,35% меньше.

Данные рис.1 и 2 свидетельствуют о том, что при закреплении ЗПГ предложенными ЗЗП их поверхностные слои переходят из мелко-пушеночно свободно-дисперсного состояния в крупные агрегатированные связанно-дисперсные корки, состоящие из механически прочных и водопрочных макроагрегатов частиц.

Рисунок 2. Микрофотометрический вид засоленных почвогрунтов с ЗЗП

Результаты химического анализа (табл.2) показывают, что в засоленных почвах после обработки ЗЗП содержание водорастворимого SO₄^2- снижается на 1-2%. Это показывает, что на поверхности почв тенардит реагирует с хлоридом кальция с образованием малорастворимого дигидрата сульфата кальция. Это значит, в присутствии хлорида кальция растворимость сульфата натрия уменьшается и он переходит в сульфат кальция, который является нелетучим компонентом по сравнению с сульфатом натрия. Это также доказывает образование закрепленных засоленных почв.

Таблица 2.

Химический состав засоленной почвы дна Аральского моря до и после применения закрепителя, (масс.%)

Рисунок 3. Рентгенограмма образцов засоленных почв до и после обработки ЗЗП. Номера образцов соответствует номерам табл. 1.

Данные микроскопического (рис.2) и рентгенофазового (рис.3) анализов также подтвердили полученные результаты.

Таким образом, изучение фракционного состава обработанных засоленных почв Аральского моря с определением ВПА и механической прочности поверхности корки показало возможность закрепления соляной пушонки со снижением ее уноса созданным закрепителем.

Оптимальным сказался закрепитель, состоящий из 40% хлорида кальция, КМЦ и жидкого стекла при соотношение 1:0,025-0,05:0,01-0,02.

Список литературы:
1. Рубанов И.В.,Ишниязов Д.П.,Баскакова М.А.,Чистяков П.А. Геология Аральского моря.Ташкент: Фан,1987.-246с.
2. Курбанбаев Е., Артыков О., Курбанбаев С. Аральское море и водохозяйственная политика в республиках Центральной Азии. Издательство “Каракалпакстан”,2011.-128с.
3. Большое Аральское море в начале ХХI века:физика,биология,химия /П.О.Завьялов, Е.Г.Арашкевич, И.Бастида и др.; инсититут океанологии им. П.П.Ширшова РАН. М.:Наука,2012.-229с.
4. Эркаев А.У., Реймов К.Д., Тоиров З.К., Каипбергенов А.Т., Туремуратова А.Ш. Современное экологическое состояние и солевые отложения Аральского моря.//Узб.хим.журн. - 2014. - № 4, с. 4-20.