Миграция несимметричного диметилгидразина в почвогрунтах

В условиях ухудшающейся экологической обстановки, сохранение почвенного плодородия, и восстановление деградированных земель является важной народнохозяйственной задачей. Серьезным источником загрязнения окружающей среды является ракетно-космическая деятельность. С конца пятидесятых годов при запусках космических ржет территории площадью в десятки тысяч квадратных километров испытывают постоянное загрязнение высокотоксичным ракетным топлиеом. Оно попадает на поверхность Земли с остатками первых ступеней ракет, запускаемых с космодромов. Районы падения остаточных частей ракет представляют собой эллипсы площадью от нескольких сот до тысяч квадратных километров, что создает зоны повышенного экологического риска. Этот вид техногенного воздействия на природную среду весьма слабо изучен. Одним из компонентов ракетного топлива (КРТ) является несимметричный диметилгидразин (НДМГ). Разработка и испытания ракетных двигателей, использующих НДМГ, создает условия для загрязнения им и продуктами его распада не только производственных помещений, но и атмосферного воздуха, водоемов, почвы и растений в местах размещения испытательны?: стендов. Гигиеническими исследованиями, проведенными на предприятиях, применяющих компоненты ракетных топлив, установлен факт накопления в почве и проникновения в более глубокие слои почвы НДМГ и продуктов его распада (Роолик, Орлова, 1977). Загрязнение почвы НДМГ происходит также при его транспортировке, при аварийных проливах, при разгрузке НДМГ из железнодорожных цистерн в складские емкости, при заправке автозаправщиков на храшшще, при сбросе на почву неочищенных сточных вод, содержащих НДМГ и его производные.

При попадании на поверхность почвы НДМГ и продукты его трансформаций могут вымываться из почвы атмосферными водами и попадать в открытые водоемы, мигрировать в подземные водоносные горизонты, вторично загрязнять атмосферный воздух, поступая о пылью и испаряясь из почвы., мигрировать по пищевым цепочкам. Миграция НДМГ по пищевым цепочкам в значительной мере будет определяться его поведением в почве,.

Накопление в почве загрязняющих веществ ведет к изменению ее химического состава, физических, биологических и микробиологических свойств. Одной из серьезных задач программы охраны окружающей среды является разработка методов оценки, оперативной информации и прогноза изменения свойств почвы в условиях антропогенного воздействия. Состояние почвы определяется физико-химическими параметрами, характеризующими мгновенное состояние среды и состояние, сюре дненное по времени, и биологическими свойствами, которые характеризуют набор функциональных и структурных параметров, дающих представление о состоянии биоты. Для оценки химического состояния почвы может быть использевана система показателей, предложенная Орловым, Воробьевой (1982). Загрязнение почв не может полноценно оцениваться с каких-либо узко специальных позиций, а должны комплексно учитываться возникающие при этом гигиенические, сельскохозяйственные, экологические и экономические проблемы.

Загрязнение почв всегда имеет многокомпонентный состав и характеризуется весьма разнообразными параметрами качественного состава ингредиентов загрязнения и их количественными соотношениями. Таким образом, полноценная оценка воздействия загрязнения почв возможна только при анализе влияния сложных смесей. Необходимо формирование такой концепции оценки состояния почв, которая учнтываш бы как поликомпонентность ее техногенного преобразования, так и многоаопектноотъ отрицательных воздействий загрязнения. Однако., почва — это сложная экологическая система с колоссальным количеством связей между биоценотическими компонентами, между компонентами абиотической составляющей и, в сбою очередь., между первыми и вторыми. Выбор приемлемых показателей и наиболее функциональных их вариантов для оценки состояния почв в условиях техногенеза представляется назревшей и актуальной задачей.

При отборе показателей для контроля за почвой, отбираются показатели, относящиеся к процессам с гомеостатическими механизмами и которые быстро и надежно могут быть измерены инструментально. Проявлением гомеостаза служит то, что каждый тип почвы имеет определенное значение рН, окислительно-восстановительные условия, содержание и свойства гумуса, содержание растворимых и нерастворимых органических и неорганических веществ. Функциональные связи между органической и минеральной составляющей почвы осуществляются фер-ментативно, что может быть использовано для оценки интенсивности и направленности элементарных почвенно-биологических процессов. Сущность почвообразования заключается в процессах превращения органических веществ, так как с ними связано наибольшее поступление свободной энергии в почву. Превращение органических веществ — процесс окислитель но-восстановитель ный. Следовательно, с физико-химических позиций сущность почвообразования заключается в окислительно-восстановительных процессах,.

НДМГ, являясь производным гидразина, представляет собой весьма непрочное соединение., которое, попадая в почву, образует ряд соединений неорганического и органического характера. Трансформаций НДМГ и перенос как самого НДМГ, так и его производных в почве зависят от многих факторов. Во-первых, определяющим является тип и сложение почвы, ее физические, химические, физико-химические свойства и доза вносимого НДМГ, Во-вторых, большое влияние на миграцию веществ оказывают действующие в системе силыг градиенты концентрации растворенных веществ минерального и органического характера, влаги и температуры. Направленность трансформации и распространения НДМГ, как в почве, так и в целом в окружающей среде определяется не только его физико-химическими и химическими свойствами, но и конкретными климатическими и биогеохимическими особенностями района, подвергшегося действию токсиканта. Поэтому для прогнозирования последствий влияния НДМГ на окружающую среду в загрязненном районе необходимо учитывать и исследовать в комплексе все перечисленные параметры. В настоящее время отсутствуют эффективные методы обезвреживания НДМГ и его производных в природных средах, в первую очередь, в почвах и в воде. Существующие методы обезвреживания дают возможность уменьшения его в почве термическим и химическим способом до 1,5−2,0 мг/кг почвы, что все равно превышает предельно-допустимую концентрацию для земледелия в 15−20 раз (Порядин, 1995). В Агрофизическом институте академиком Е. И. Ермаковым предложен способ очистки почв методом фитодетоксикации. Загрязненный участок экранируется «одеялом» из незагрязненного орга-но-минерального грунта с последующим выращиванием на нем растений (Пат.2 101 898 Р. Ф. Ермаков и др., 1998). цель, выполненной работы заключалась в исследовании влияния НДМГ на почвенную систему, выяснении закономерностей трансформации ИДУТ и распротранения его и продуктов его деструкции в почвах в изотермических условиях под действием различных факторов: начальной дозы НДМГ. влажности, свойств почвы для создания математических моделей позволяющее прогнозировать распространение ЩЩР в реальных условиях,.

В задачи исследования входило:

— Изучение влияния НДМГ на физические и физико-химические параметры почвы.

— Изучение распространения НДМГ в почвогрунтах резко отличающихся по своим свойствам.

— Изучение влияния НДМГ на трансформацию органического вещества почвы.

— Выявление закономерностей распространения НДМГ в почвах о экранирующим покрытием,.

Работа выполнена в 1993;1997 г в АФМ.

Актуальность работы заключается в выяснении воздействия одного из главных токсикантов ракетного топлива — НДМГ на почвенную систему, что может быть использовано как основа для создания моделей позволяющих прогнозировать распространение токсикантов в загрязненных КРТ районах.

Научная новизна, работы состоит в исследовании закономерностей распространения НДМГ в почве и формировании банка данных, необходимых для создания моделей прогноза миграции токсиканта в различных почвах. Доказана возможность применения потенциометрического метода для определения параметров, регистрирующих процесс трансформации и миграции НДМГ и продуктов его распада в почвах.

Практическая значимость работы заключается в рассмотрении факторов, влияющих на распространение токсиканта в почвах, Осуществлении прогноза поведения НДМГ, его деструкции и миграции, а также его производных в системах, моделирующих почвы в различных районах падения отделяемых частей ракет, районах эксплуатации чкосмодромы, зоны храненияпредприятия по производству КРТ), Разработаны основы метола намерения параметров, характеризующих процесс деструкции НДМГ,.

В результате обобщения литературных данных и выполненных наш экспериментальных исследований сформулированы и выносятся назащиту следующие положения.

— Несимметричный диметилгидразин воздействует на физико-химические — химические и физические свойства, почв.

— Деструкция НДМГ в почве зависит от ее состава, вида, почвенного брожения и дозы загрязнения.

— Экспериментально показана возможность ускорения или замедления деструкции при варьировании влажности почвы.

— Экспериментально о помощью потенцшметрического метода показана возможность регистрировать в динамике процесс трансформации НДМГ и распространение как его самого, так и его производных.

— Рассмотрен механизм переноса, токсиканта, в почвах под действием градиентов концентрации и влаги, что позволяет на основании изученных физических моделей создать математические модели по прогнозу распространения НДМГ в местах аварийного пролива ракетного топлива. и в районах паления отделяющихся частей ракет.

Результаты работы доложены на семинаре «Обеспечение экологической безопасности вооружения, военной техники и военных объектов» в экологическом центре М.О. РФ (Москва, 1995).

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, выводов и списка, литературы. Описок литературы включает 96 наименований, из них 10 — зарубежных авторов.

ВЫВОДЫ,.

1. Показано, что НДМГ воздействует на физиню-химические, химические и Физические свойства, почв,.

2, Предложена, методика потенциометрического определения окислитель но-восстановительного потенциала почвы, кислотности, концентрации ионов аммония и нитрат-ионов непосредственно в почвенных колонках: по изменению данных параметров можно судить о процессах, происходящих в системе,.

8, Показано, что внесение несимметричного диметилгидразина в почвогрунты сопровождается уменьшением кислотности (увеличение рН,> и резким снижением окислительно-восстановительного потенциала.

4. Показано, что с ростом загрязнения НДМГ почвогрунтов увеличивается содержание продуктов его распада, как минерального, так и органического характера.

5- Показано, что в супесчаной почве при дозе загрязнения 1 г/дм" восходящая миграция НДМГ и органических продуктов деструкции не фиксировалась, а при дозе загрязнения 5 г/дм", была минимальной. б, Установлено, что начальная влажность органо-минерального грунта влияет на деструкцию НДМГ и его распространение в грунте. При начальной влажности грунта, равной 70%, и исходном загрязнении 5 г/дм", содержание НДМГ за 40 суток снизилось до 45 мг/кг, а его миграция в экранирующий незагрязненный грунт практически не наблюдалась. При влажности грунта, равной 125%, при той же дозе загрязнения количество нераспавшегося НДМГ составляло 200 мг/кг в исходно загрязненном слое, а, содержание в экранирующем горизонте возросло до 13,4 мг/кг. Показано, что внесение НДМГ в органе-минеральный грунт сопровождается увеличением содержания гуминовых кислот,.

8, Показано, что концентрации ионов аммония и нитрат-ионов в изучаемых системах незначительны, хотя они являются продуктами распада НДМГ, что обусловлено протеканием в изучаемых системах физических и химических процессов,.

9, Установлено, что при внесении НДМГ происходит увеличение влажности по всему почвенному профилю, причем максимальный прирост влаги обнаружен в исходно загрязненном почвогрунте.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе исследовано распространение несимметричного диметилгидразина и продуктов его деструкции в почвогрунтах, экранированных незагрязненным почвенным покрытием. Миграция НДМГ и сопутствующих веществ в почвогрунтах является сложным процессом, который зависит от типа почвы, ее сложения, физических, химических и физико-химических свойств, а также от сил, действующих в системе, таких как градиент концентрации растворенных веществ и градиент влаги. Весьма важным фактором данной работы является выбор почвенного покрытия и его свойства.

Результаты полученные в данной работе могут быть использованы для создания математических моделей, позволяющих прогнозировать распространение токсикантов в загрязненных KPI районах.

Разработанная методика определения кислотности почвы, окислитель но-восстановительного потенциала, концентрации ионов аммония и нитрат-ионов потенциометрическим методом непосредственно в дисперсной среде, позволила проследить изменение данных параметров в течение опыта. Качественно о процессах взаимодействия НДМГ с почвой можно судить по изменению окислительно-восстановительного потенциала. Так как несимметричный диметклгидразин является сильным восстановителем и его внесение в почву вызывает бурное протекание окислительно-восстановительных процессов.

Во всех опытах распад несимметричного диметилгидразина протекал интенсивно, а его восходящая миграция в незагрязненное покрытие была незначительна, однако процессы в супесчаной почве и органеминеральном грунте протекали неодинаково, что обусловлено различием свойств изучаемых почвогрунтов.

— ш.

В супесчаной почве вследствие лучшей аэрации деструкция НДМГ протекала интенсивнее и летучие продукты распада НДМГ (к примеру, дшетиламин, формальдегид, аммиак) испарялись,.

В органе-минеральном грунте НДМГ и продукты деструкции вступали в химические реакт. рда с органическими и минеральными веществами грунта,. На распад НДМГ и его миграцию сильное влияние оказывало начальное количество влаги в системе, При большей влажности почвы содержание нераопавшегося НДМГ к концу опыта было больше, чем в системе с меньшей влажностью, так как НДМГ образует о водой прочный комплекс, В конце опытов в исследуемых системах наблюдалось увеличение количества влаги по всему почвенному профилю по сравнению о начальным содержанием влаги, причем наибольшее — в исходно загрязненном горизонте за счет протекания химических реакции с образованием воды, а также разложения органического вещества. Возрастание содержания воды в незагрязненном почвенном покрытии было обусловлено миграцией влаги под действием сил, существующих в системе.

Проведенные исследования показали необходимость экспериментальных и теоретических работ по подбору экранирующих слоев — торфов с соответствующими добавками окислителей и микроэлементов, что позволит разработать методы наиболее полной реставрации загрязненных почв, которые могут быть более экономичными по сравнению о существующими в настоящий момент. На основании изученных физических моделей возможно создание математических моделей по прогнозу распространения НДМГ в местах аварийного пролива ракетного топлива и в районах падения отделяющихся частей ракет.