Коллоидно-химические закономерности закрепления подвижных песков многофункциональными структурантами

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. Во всем мире одним из главных факторов ухудшения экологической обстановки является ветровой вынос в атмосферу минеральных солей и песков из осушенных и опустыненных территорий. Поэтому, проблема закрепления подвижных песков от ветровой эрозии путем создание прочной поверхностной корки для предотвращения дефляции, обеспечивающая закрепление минеральных частиц пыли и солей в местах их образования считается актуальной. В связи с этим закрепление подвижных песков, с применением композиционных закрепителей, приготовленных из химических реагентов, таких как водорастворимые поверхностно-активные вещества (ПАВ) на основе дешевых промышленных отходов является одним из актуальных задач коллоидной химии. В настоящее время в мире актуальна разработка и внедрение мероприятии по закреплению подвижных песков осушенных территорий. Для предотвращения такой ситуации необходимо образование структурированной поверхностной корки с химическим закреплением дисперсии песков с помощью новых закрепляющих добавок и их композиций. При разработке композиционных закрепителей дисперсии засоленных подвижных песков и почвогрунтов необходимо обосновать соответствующие научные решения, в частности: определение способности непосредственного связывания частиц подвижных песков и почвогрунтов с компонентами добавок закрепителей; определение зависимости образования прочной структуры от значений структурно-кинетических показателей в процессе связывания закрепляющих добавок частицами песков; определение влияния концентрации на максимальное повышение закрепляющего действия при повышенном взаимодействии дисперсии подвижных песков и почвогрунтов и закрепляющих добавок. На сегодняшний день в нашей стране достигнуты теоритические и практические результаты на основе проведенных широкомасштабных мер по улучшению мелиоративного состояния почв и песков пустынных регионов, а также по охране их от ветровой и водной эрозии. В частности, необходимо отметить проводящийся исследования по эффективному использованию водных и земельных ресурсов, повышению производительности и эффективности использования орошаемых и неорошаемых горных, пустынных и пастбищных земель, а также повышению их мелиоративных условий и производительности. В третьем и четвертом направлении стратегии дальнейшего развития Республики Узбекистан отмечены актуальные задачи по “принятию системных мер по смягчению негативного воздействия глобального изменения климата и высыхания Аральского моря на развитие сельского хозяйства и жизнедеятельности населения» и «обеспечение экологической безопасности проживания людей, строительство и модернизация комплексов переработки бытовых отходов, укрепление их материально-технической базы...». В связи с этим, проблема создания композиций закрепляющих реагентов на основе промышленных отходов и научные исследования, направленные по их использованию для закрепления подвижных песков имеют большое значение. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Указах Президента Республики Узбекистан №УП-4947 от 7 февраля 2017 г. «О стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан в 2017-2021 годах», №ПП-3236 от 23 августа 2017 г. «О программе развития химической промышленности на 2017-2021 годы» и Кабинета Министров № 363 от 24 декабря 2014 г. «Развития сотрудничества в регионе бассейна Аральского моря по смягчению последствий экологической катастрофы», а также в других нормативноправовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является определение коллоидно-химических закономерностей химического закрепления засоленных почвогрунтов и подвижных песков с помощью многофункциональных структурантов полученных на основе водорастворимых ПАВ и промышленных отходов. Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем: выявлены коллоидно-химические принципы подбора композиций реагентов для химического закрепления подвижных засоленных почвогрунтов и песков; обоснованы механизмы закрепления дисперсий свободных песков многокомпонентными структурантами, состоящими из химических реагентов и промышленных отходов; выявлено образование водонерастворимого полимера при обработке водорастворимыми полимерами, полимер из двух размерной структуры переходит в трех размерную структуру; определены оптимальные условия фитомелиорации подвижных засоленных почвогрунтов предложенными способами при которых механическая прочность поверхности почвогрунта составляет 2,6-3,0 МПа и количество водостойких агрегатов составляет 70-80%; обоснован механизм образования прочной структуры на поверхности песка и почвогрунта в результате взаимодействия гелеобразного нового продукта образованного в результате взаимодействия водорастворимых солей системы «почвогрунт-соль-мелиорант-добавкв» и добавки извести, золы и комплекса добавок Са(ОН)2+СДБ и Са(ОН)2+ЭГ подвергнутого адсорбции и адгезии его частицами; выявлены условия «мягкого» закрепления подвижных засоленных почвогрунтов и песков с добавками (древесной опилки и листопада), которые увеличивают пористость и влагоемкость поверхностной корки обеспечивая развитие растений. Заключение 1. На основе изучения химических составов местных водорастворимых поверхностно-активных веществ и кальцийсодержащих промышленных отходов, а также коллоидно-химических закономерностей предложены их композиции в качестве закрепителей подвижных засоленых песков и почвогрунтов. 2. Показана возможность перевода засоленных безструктурных почв и подвижных песков изучаемых территорий в оструктуренные путем создания в них водопрочных агрегатов (>0,2 мм) с помощью предлагаемых композиционных добавок. Выяснено, что структурообразующее действия ПАВ и их композиций на глина-песковой дисперсии является ионообменным, а закрепление же на почвенных частицах адсорбированных молекул и их ассоциатов обусловлено образованием водородных связей между ними. 3. Установлены механизмы закрепляющего действия композиций взависимости от их состава и количества, а также их влияния на структурообразующие способности дисперсии подвижных песков и почвогрунтов. 4. Процесс взаимодействия структурообразующих ПАВ с почвенными частицами включает участия функциональных групп ОН, NH2, СООН, СОО, -SiO, катионов и анионов, присутствующих в ПАВ и почве. На основании ИК-спектров поглощения почвенных частиц с ПАВ установлено, что адсорбция ПАВ происходит за счет образования водородных и ионных связей их функциональных групп на поверхности частиц почвы. Взаимодействия между ПАВ и мелкими частицами почвы приводит к агрегированию, вследствие образования коагуляционно и кристаллизационно структурированной системы. В результате образования коагуляционных структур водорастворимые полимеры адсорбированные на твердых частицах приобретают нерастворимую форму за счет перехода макромолекул полимера из двухмерного в трехмерную. 5. Выявлено зависимость прочности структуры систем подвижных песков и почвогрунтов содержащих мелиорантов от состава ионообменных комплексов и количества солей электролитов содержащихся в них. Возможны взаимодействия ПАВ (водорастворимых полимеров и др.) и с многовалентными катионами, что вызывает увеличение прочности коагуляционной структуры. Закрепляющее действие композиции содержащей больших количеств ионов кальция, а также других неорганических электролитов основано на образовании при определнных температурных условиях закрепляющих веществ полимерного строения, таких как силикаты и гидросиликаты кальция. 6. Выявлены гелобразующие способности композиции на основе Са(ОН)2+СДБ ва Са(ОН)г+ЭГ при внесении к засоленным почвам, что способствует повышению водопоглащения и влагоудержан ия структурированных почв, существенно влияющих на улучшение их плодородия. 7. Установлено закрепляющая эффективность ПАВ дисперсии подвижных почвогрунтов и песков, что соответствует следующему ряду убывания: МПК-1> К-9> К-4 > СДБ > ЭГ > МН > АП 8. Выявлено, что использование (древесной опилки, листопада, золы и т.п) увеличивает пористость и влагоемкость закрепляющей корки, что улучшает возможность нарастания молодых побегов, а также “мягкого” закрепляющего действия композиционных добавок. В этом случае древесная опилка или листопад не только играют роль механической добавки, а также выступают в качестве каркасообразующей в результате адгезии с полимером на твердых частицах подвижных песков и почпогрунтов. 9. На основе предложенных способов закрепления подвижных засоленных песков установлены оптимальные условия для фитомелиорации: механическая прочность корки составляет 2,6-3,0 МПа и количество водопрочных агрегатов 70-80 %. 10. Установлено увеличение сравнительной устойчивости поверхностной корки против ветровой эрозии под влиянием подобранных структурантов (композиции на основе ПАВ, химический реагентов и отходов промышленности) и каркасобразующих добавок (древесной опилки, листопада, золы, известь и др.). 11. На основе проведенных исследовании предложены в качестве закрепляющей композиции ПАВ+Са(ОН)2; ПАВ+зола для подвижных песков и почвогрунтов с высокими содержаниями солей ПАВ+ДО и ГСК+ДО для с низкими содержаниями солей. 12. На основании полученных положительных результатов опытнополевых испытаний способа химического закрепления засоленных подвижных песков комплексными добавками в сочетании с фитомелиорацией непосредственно в районах побережья Кукдарьи осушенного дна Арала и опустыненных районах Сурхандарьи, для практической реализации рекомендованы комплексная добавка ПАВ + (древесная опилка, листопад и др.) а также комплексная добавка кальций содержащих отходов Кунградского содового завода и АО «Navoiyazot» с древесной опилкой.