Способ очистки почвенного покрова, загрязненного радионуклидами sr-90 и cs-137

Способ очистки почвенного покрова, загрязненного радионуклидами sr-90 и cs-137

Реферат

Изобретение относится к техногенным способам очистки почвы загрязненной радионуклидами Sr-90 и Cs-137.

Ареалы загрязненных радионуклидами почв имеются в Челябинской, Свердловской областях и в Белоруссии. Здесь в условиях влажного умеренного климата образуются подзолистые почвы, состоящие из трех горизонтов: А - аккумулятивно-гумусового, Е - подзолистого, В - иллювиального.

Почвенные горизонты отличаются вещественным составом и геохимическими параметрами; щелочно-кислотными свойствами, окислительно-восстановительным потенциалом, вещественным составом сорбентов и емкостью катионного обмена.

Радионуклидами загрязнена поверхностная часть горизонта А на глубину до 5 см. Здесь Sr и Cs находятся в обменном слое тонкодисперсных глинистых минералов и гумминовой кислоты. В составе поглощенного комплекса находится до 90% Sr и до 24% Cs (неподвижная форма). Остальная часть Sr и Cs находятся в форме фульвиновых комплексов (подвижная форма).

Под влиянием инфильтрующихся атмосферных осадков происходит незначительное самоочищение горизонта А, из которого фульвиновые комплексы выносятся в нижние горизонты В и С. По данным Е.П.Петряева и соавторов, для полной самоочистки почвы требуется десятки - сотни лет. В связи с этим возникла проблема быстрого техногенного очищения почвы от радионуклидов.

Предложено несколько способов очистки почв от Sr-90 и Cs-137. Н.А.Овчинников и соавторы (патент РФ №2088064, МПК А 01 В 79/02, опубл. 1996 г.) предложили подвижные формы радионуклидов прочно связывать природным или искусственным сорбентом, который вносят в загрязненную почву. При этом радионуклиды прочно связываются с сорбентом и не вымываются атмосферными осадками. По радионуклиды могут извлекаться корнями растений, которые способны извлекать ионы даже из минералов. В этом заключается недостаток рассмотренного способа. Для полной дезактивации почвы, сорбенты, содержащие Sr 90 и Cs 137, можно извлечь из почвы просеиванием почвы и отправить на захоронение.

М.М.Ломакин и соавторы (патент РФ №2063116, МПК А 01 В 79/02, опубл. 1994 г.) предлагают на пахотных землях устраивать валы-канавы с культивированием в выемочной части тростника обыкновенного, который извлекает из почвы Sr-90 и Cs-137. Тростник через 6-8 лет прикатывают и засыпают почвой с гребня вала. Затем рядом с бывшим валом формируют, новый. В процессе формирования валов вносят химические мелиоранты послойно в каждые 20-25 см перемещаемого грунта.

Недостатками этого способа является большой объем земляных работ и создание обводненной среды для произрастания тростника. Этот способ можно рассматривать как прототип, ибо он направлен на очищение пахотного слоя от радионуклидов.

Задачей создания изобретения является разработка простого, не трудоемкого способа очистки загрязненного радионуклидами пахотного слоя и приведение его в состояние пригодного для возделывания.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ очистки почвенного покрова, загрязненного радионуклидами стронция - 90 и цезия - 137, включающий вспашку и внесение в почву химических веществ, и отличительных существенных признаков, таких как в пахотный слой вносят известняковую или доломитовую муку в количестве 5-6 тонн на га и калийные удобрения KCl, KNO₃ или KMgCl₃·6H₂O в количестве не менее 200 кг на га, с последующим посевом смеси многолетних трав, которые осенью скашивают и помещают в хранилище, исключающее миграцию радионуклидов. Это позволяет значительно сократить сроки очистки почвы от радионуклидов, упростить процесс в целом.

В пункте 2 формулы изобретения предлагается в качестве смеси трав использовать вику и тимофеевку.

Согласно пункту 3 формулы изобретения при недостатке в почве фульвиновой кислоты, в пахотный слой вносят сапропель или болотную воду. Эти признаки позволяют более эффективно осуществлять очистку пахотного слоя от радионуклидов.

Вышеперечисленные признаки позволяют получить следующий технический результата - упрощение процесса и повышение степени очистки почвы от радионуклидов.

Указанные выше отличительные признаки, каждый в отдельности и все совместно, направлены на решение поставленной задачи и являются существенными.

Использование существенных отличительных признаков в известном уровне техники не обнаружено, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «новизна».

Единая совокупность новых существенных признаков с общими, известными обеспечивает решение поставленной задачи, является не очевидным для специалистов в данной области техники и свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Пример реализации способа.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что в пахотном слое создаются геохимические условия, при которых неподвижные формы Sr-90 и Cs-137 приобретают миграционную способность и в составе инфильтрующихся атмосферных осадков достигают иллювиального и почвообразующего горизонтов, где они не доступны для корней трав, злаков и корнеплодов,

На первом этапе осуществляется вытеснение из поглощенною комплекса сорбентов Sr и Cs. Для вытеснения Sr в предварительно вспаханный на глубину 5-15 см слой почвы вносят известняковую или доломитовую муку в количестве до 5-6 т/га. Норма расхода муки 5-6 т/га является оптимальной, т.к. если взять муки менее 5 тонн на га, не достигается эффект очистки почвы от радионуклидов. Внесение муки больше 6 т/га экономически не целесообразно. При растворении кальцита и доломита в кислой среде, образующиеся ионы Са ²⁺ и Mg²⁺ вытесняют Sr²⁺ из обменного комплекса. Вытесненный Sr²⁺ взаимодействует с фульвиновой кислотой с образованием растворимого в воде молекулярного Sr-фульвинового комплекса,

Вытеснение Cs⁺ осуществляется ионом К⁺, который вносится в пахотный слой в форме калийных удобрений: KCl, KNO₃ или KMgCl₃·6H₂О в количестве не менее 200 кг на га. Норма калийных удобрений 200кг/га является оптимальной. Внесение удобрений более 200 кг/га экономически не целесообразно. Вытесненный ион Cs⁺ с фульвиновой кислотой образует водно-растворимый молекулярный комплекс.

Если загрязненная радионуклидами почва бедна фульвиновой кислотой, количество ее увеличивают внесением и пахотный слой сапропеля или болотной воды.

Инфильтрация молекулярных растворов (см. чертеж), содержащих Sr²⁺ и Cs⁺, продолжается до горизонта В и почвообразующего субстрата (горизонт С) Здесь молекулярные растворы расходуют часть воды на смачивание гидрофильных стенок капиллярных полостей (Шур А.С. Роль капиллярных явлений в процессах минерало- и рудообразования. М.: АН СССР, 1964, с.13-22). Как следствие при потере воды происходит коагуляция молекулярных растворов и образование слабоподвижных гидрозолей. Свободные ионы Sr²⁺ и Cs⁺ сорбируются глинистыми минералами, гидроокислами железа и алюминия (сорбционный геохимический барьер).

На втором этапе осуществляют фитогенную активизацию миграции ионов Sr⁺ и Cs⁺, находящихся в составе труднорастворимых и не растворимых минералов, из которых под влиянием корней растений они переходят в почвенный раствор и мигрируют по корневой и наземной частям растений. Наиболее интенсивно Sr²⁺ и Cs⁺ извлекаются травами, (бобовыми и злаковыми и др.), которые выполняют роль фитогенного барьера. В качестве фитогенного барьера, как показали наши исследования, предлагается смесь многолетних трав, вики и тимофеевки, которые осенью скашивают и помещают в хранилище, исключающее миграцию Sr²⁺ и Cs⁺ в окружающую среду, (патент РФ на изобретение «Хранилище почвогрунтов и растительных остатков, загрязненных радионуклидами», автор Кроначева А.М.)

Наименьшее количество радионуклидов Sr²⁺ и Cs+ накапливается в картофеле и других корнеплодах (Романов и др. Восстановление хозяйственной деятельности. М.: Природа, 1990, №5, с.69).

Изложенная выше методика очистки почвенного покрова, загрязненного радионуклидами Sr²⁺ и Cs⁺, применима только для фульвиново-кислых подзолистых почв умеренного пояса.

Предлагаемый способ очищения пахотного слоя от радиоизотопов Sr²⁺ и Cs⁺, в отличие от аналогов, основывается на принудительной миграции этих загрязнителей за пределы пахотного слоя. Это достигается внесением в почву растворимых солей содержащих ионы Са²⁺, Mg²⁺ и K⁺. Из них Са²⁺ или Mg²⁺ вытесняют из поглощенного комплекса ионы Sr²⁺ и Cs²⁺, K⁺ вытесняет Cs⁺, которые в форме фульвиновых молекулярных растворов мигрируют за пределы пахотного слоя (см. чертеж).

1. Способ очистки почвенного покрова, загрязненного радионуклидами стронция-90 и цезия-137, включающий вспашку и внесение в почву химических веществ, отличающийся тем, что в пахотный слой вносят известняковую или доломитовую муку в количестве 5-6 т/га и калийные удобрения KCl, KNO₃ или KMgCl₃·6H₂O в количестве не менее 200 кг/га, с последующим посевом смеси многолетних трав, которые осенью скашивают и помещают в хранилище, исключающее миграцию радионуклидов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве смеси трав используют вику и тимофеевку.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при недостатке в почве фульвиновой кислоты в пахотный слой вносят сапропель или болотную воду.