- Моделирование замкнутого цикла в лабораторных условиях позволило извлечь из руды 65,1% топаза при обработке плавиковой кислотой и 69,6% - при обработке серной кислотой. Кроме того, было установлено, что расход плавиковой и серной кислот оди-
наковый - 500 г/т, рН при этом в обоих случаях составляет 4,5-4,8.
- Целесообразнее использовать серную, а не плавиковую кислоту, т.к. плавиковая кислота является дефицитным и высокотоксичным реагентом.
Библиографический список
1. Перспективы комплексного промышленного освоения 2. Эйгельс М.А. Реагенты-регуляторы во флотационном месторождения «Копна», ЗАО «НПО Урское». Новокузнецк, процессе. М.: Недра, 1977. 215 с. 2002.
УДК 551.510.42
РЕГИОНАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС ПРИМЕСЕЙ КАК ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА ПРИБАЙКАЛЬЯ
В.Л.Потемкин1, Т.Г.Потемкина2, Е.А.Гусева3
12
, Лимнологический институт СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3, а/я 278.
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Обсуждается возможный путь поступления антропогенных примесей в котловину озера Байкал и на территорию Байкальского заповедника через атмосферный канал. Распространение примесей в атмосфере описано с помощью нестационарной трёхмерной модели эйлерова типа, основанной на численном решении полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии. Показано распределение рассчитанных полей плотности массового расхода твёрдых взвесей у подстилающей поверхности за год. Ил.1. Библиогр. 19 назв.
Ключевые слова: перенос примеси в атмосфере; моделирование; осаждение; озерная взвесь; береговая зона; Байкал.
REGIONAL TRANSFER OF CONTAMINANATS AS A GEOECOLOGICAL PROBLEM OF THE BAIKAL REGION V.L. Potemkin, T.G. Potemkina, E.A. Guseva
Limnological Institute SB RAS, 3, Ulan-Batorskaya St., Irkutsk, 664033, p/b 278. National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The paper discusses possible ingress of anthropogenic contaminants into the basin of the Lake Baikal and the territory of the Baikal conservation area through the atmospheric channel. The distribution of contaminants in the atmosphere is described with the help of a non-stationary three-dimensional model of Euler type based on the digital solution of semi-empirical equation of turbulent diffusion. The distribution of the calculated density fields of suspended solids mass flow at the underlying surface per year is demonstrated. 1 figure. 19 sources.
Key words: transfer of contaminants in atmosphere; simulation; deposition; lake suspension; shore zone; Baikal.
Решение экологических проблем, связанных с загрязнением воздушной среды, зависит от знания физических параметров атмосферы, важной составляющей частью которой являются атмосферный аэрозоль и газы. Химический состав атмосферного аэрозоля определяется его источниками и типом тех химических превращений, которым подвергается аэрозольное вещество. Источниками антропогенного аэрозоля
являются газовые и пылевые выбросы от предприятий тепло- и электроэнергетики, автотранспорта и функционирующих промышленных предприятий, большинство из которых поставляют выбросы не выше пограничного слоя атмосферы.
Прибайкалье является очень сложным географическим образованием: обширные равнины соседствуют с горами и крупным водоемом, озером Байкал. Ис-
1Потемкин Владимир Львович, кандидат географических наук, старший научный сотрудник, тел.: (3952) 426502, e-mail: [email protected]
Potemkin Vladimir, Candidate of Geography, Senior Researcher, tel.: (3952) 426502, e-mail: [email protected]
2Потемкина Татьяна Гавриловна, кандидат географических наук, старший научный сотрудник, тел.: (3952) 426502, e-mail:
Potemkina Tatiana, Candidate of Geography, Senior Researcher, tel.: (3952) 426502, e-mail: [email protected]
3Гусева Елена Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов,
доцент, тел.: (3952) 405147, e-mail: el.guseva@ rambler.Ru
Guseva Elena, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Technologies and Materials, Associate Professor, tel.: (3952) 405147, e-mail: el.guseva @ rambler.Ru
торически освоение Прибайкалья шло с запада. Удобное расположение поселений вдоль реки Ангары привело к формированию и развитию индустриальных центров и, конечно, повышенному загрязнению атмосферы. В климатическом отношении над рассматриваемой территорией в течение года формируются устойчивые потоки воздуха западного направления, приносящие влажные массы с Атлантики. По пути они захватывают все атмосферные выбросы и по долине Ангары выносят их в котловину озера. Территория Восточной Сибири имеет резко континентальный климат, где радиационные факторы в сочетании с широко распространенным котловинным рельефом благоприятствуют возникновению устойчивых температурных инверсий в нижних слоях воздуха даже во время теплого сезона, способствуя накоплению атмосферных примесей. Поэтому озеро Байкал как природное наследие, с его уникальными природными комплексами оказывается под постоянным прессингом антропогенных выбросов, поступающих через атмосферный канал. Это серьезная экологическая проблема и ее обсуждение является целью данной работы.
О загрязнении атмосферы озера Байкала антропогенными примесями свидетельствуют результаты многочисленных инструментальных исследований [13]. На побережье Байкала находятся два небольших промышленных центра: Слюдянка, где находятся предприятия - горнодобывающие, строительных материалов, металлообработки, и Байкальск с целлюлозно-бумажным комбинатом. Кроме того, в долине Ангары расположен Иркутско-Черемховский промышленный комплекс, удалённый от побережья на сотню километров. Прямые замеры не позволяют получить корректные оценки степени загрязнения атмосферы в регионе озера. Полученные с их помощью ряды физических и химических характеристик окружающей среды существенно дискретны в пространстве и во времени. Создание достаточно густой сети станций мониторинга является дорогостоящим мероприятием. Для регулирования режима работы действующих предприятий и выбора места строительства проектируемых необходим ситуационный прогноз в регионе.
Основные источники поступления тяжёлых металлов в атмосферу - сжигание угля, автомобильный транспорт, сталелитейное производство. В золе электростанций, промышленных и бытовых топок тяжёлых металлов значительно больше, чем в почве.
Обычно тяжёлые металлы и их соединения находятся в воздухе в виде мелкодисперсных субмикронных частиц диаметром 0,5-1 мкм. Вместе с воздушными массами эти летучие частицы могут переноситься на значительные расстояния (до 1000 км [4]). Попадая из атмосферы в водоём, соединения тяжёлых металлов оказывают негативное действие на его обитателей и в конечном итоге через пищевые продукты на человека. Например, соединения свинца, такие как тетраэтилсвинец, вызывают заболевания головного мозга, поражают центральную нервную систему; избыток концентрации хрома вызывает серьёзные онкологические заболевания, а марганца - костные болезни. Поэтлму важной задачей является определение
величины выпадения этих токсикантов не только вблизи источников выбросов, но и на поверхность водоёмов. Решение этой проблемы с помощью измерений не представляется возможным: для корректной оценки потребуются синхронные инструментальные исследования на всей акватории озера с хорошим горизонтальным разрешением, что, конечно, является слишком дорогостоящим мероприятием. Более просто оценить массу выпадающих за исследуемый период токсикантов можно с помощью математической модели распространения примесей. Обзор исследований распространения примесей с помощью математических моделей представлен в [5].
В данной работе исследовались процессы распространения и осаждения антропогенных примесей в регионе Южного Байкала в различные сезоны года с помощью нестационарной пространственной эйлеровой модели, учитывающей влияние рельефа местности [6-8]. Источниками выбросов являлись промышленные предприятия и индустриальные комплексы, расположенные в долинах рек Ангара и Селенга, на побережье Южного Байкала и в районе озера Гусиное. Характеристики источников задавались на основе данных инвентаризации [9-11]. Метеорологическая информация была получена путём статистической обработки данных измерений гидрометеорологических станций [12, 13].
Численные эксперименты проводились на территории площадью 500x250 км на высоте 3 км над поверхностью оз. Байкал. Шаги по времени и горизонтали составляли соответственно 150 с и 1 км; шаг по вертикали задавался следующим образом: до высоты 1000 м над уровнем Байкала он равнялся 50 м, далее - 250, 750 и 1000 м. Коэффициенты турбулентной диффузии рассчитывались с использованием соотношений полуэмпирической теории турбулентности [14]. Используя рассчитанные на каждом временном шаге значения массовых концентраций выбросов, определяли плотность осаждения в исследуемой области при работе каждого источника в отдельности и при их совместном действии. Значение скорости гравитационного осаждения частиц было взято из [15].
Зимой над Восточной Сибирью устанавливается азиатский антициклон, характерными особенностями которого являются повышенное атмосферное давление, приземные и приподнятые инверсии в сочетании со слабыми ветрами [16, 17]. В это время года примеси от приподнятых источников Приангарья концентрируются преимущественно вблизи источников выбросов. Вклад Иркутско-Черемховского промышленного узла в загрязнение Южного Байкала составляет по расчётам 10%. В районе Южного Байкала из-за больших температурных перепадов водной поверхности и суши возникают ветры с большой муссонной составляющей, обеспечивающей перенос примесей, выбрасываемых промышленными предприятиями Слюдянки и Байкальска, в сторону Байкала; их вклад в этот период составляет 70-75%. В долине Селенги в это время года преобладает восточный ветер, способствующий выносу загрязняющих воздух веществ от
предприятий Каменска, Селенгинска и Улан-Удэ также в сторону озера; вклад этих источников - до 15%.
С увеличением поступления солнечной радиации в конце зимы происходит постепенное разрушение азиатского антициклона, скорости ветра заметно возрастают, достигая максимальных значений в апреле-мае. В это время года антропогенная примесь, подхваченная ветровыми потоками, перемещается на более значительные расстояния, что приводит к наложению полей загрязнения, создаваемых промышленными предприятиями, расположенными в долине Ангары. В то же время вокруг непосредственных источников выбросов значения концентраций уменьшаются по сравнению с зимними месяцами. Вклад предприятий, расположенных в долине Ангары, в загрязнение озера в апреле составил до 40%, т.е. почти в 4 раза больше, чем в декабре.
Летом в долине Ангары ещё преобладают западные и северо-западные потоки, но их продолжительность меньше, чем весной, меньше и их скорости. Поэтому вклад Иркутско-Черемховского промышленного комплекса, например, в июне меньше, чем в апреле, почти в 2 раза. Существенно влияние источников загрязнения, расположенных на побережье Байкала: в июне их вклад составляет 70%. В долине Селенги, как и весной, преобладают ветры западного направления, уносящие примеси вверх по течению реки.
Осенью большую продолжительность в долине Ангары имеют восточные и юго-восточные потоки, препятствующие выносу примесей на озеро; вклад предприятий Южного Предбайкалья, например, в сентябре невелик - до 10%. Преобладающие ветры в нижнем течении Селенги - восточный и юго-восточный, однако продолжительность их меньше, чем зимой. Вклад предприятий этого района в загрязнение оз. Байкал в сентябре - 10%. Наибольшее влияние на озеро по-прежнему оказывают выбросы Слю-дянки и Байкальска - 80%.
Рассматриваемая область включает территорию Байкальского государственного заповедника площадью около 1700 км2, образованного в 1969 г. на южном побережье, между реками Мишиха и Выдринная, в центральной части хребта Хамар-Дабан. На северных склонах хребта преобладает темнохвойная тайга из пихты и кедра. Всего во флоре заповедника 745 видов растений, много реликтовых (например, тополь душистый из неогенового периода) и эндемичных форм. Животный мир заповедника - типичный горнотаёжный, в составе фауны 37 видов млекопитающих, 260 видов птиц. Заповедники являются наиболее эффективной формой охраны природы, основное их назначение - служить эталоном нетронутой или хорошо сохранившейся природы и быть местом изучения хода естественных природных процессов и явлений. На их территории запрещается всякая хозяйственная деятельность, нарушающая естественное развитие природных комплексов, поэтому исследование процессов распространения, трансформации и осаждения выбросов промышленных предприятий над особо охраняемыми территориями Прибайкалья будет
способствовать решению задач охраны экосистемы озера Байкал.
Помимо расчета влияния конкретных источников на загрязнение Южного Байкала было проведено также исследование процессов распространения и осаждения всей массы твёрдых взвесей на подстилающую поверхность Предбайкалья и акватории Южного Байкала, в частности, на территорию Байкальского заповедника. Используя рассчитанные на каждом временном шаге значения концентраций взвесей, определяли плотность их массового расхода в исследуемой области. Результаты расчётов представлены на рисунке. Показано распределение рассчитанных полей плотности массового расхода твёрдых взвесей у подстилающей поверхности за год. При преобладающем в регионе западном воздушном переносе, например, при прохождении глубокого атлантического циклона, на склонах Хамар-Дабана, обращённых к Байкалу, примесей осаждается значительно больше. Наиболее загрязнённой оказывается северная часть Байкальского заповедника. Примеси поступают в основном от выбросов Иркутско-Черемховского промышленного узла.
Хотя наибольшие значения потоков взвешенных частиц отмечены вблизи основных источников выбросов, расположенных в долинах Ангары и Селенги, значительные массы взвесей осаждаются на склонах Хамар-Дабана и при гравитационной дифференци-ровке пополняют приходную часть баланса вещества береговой зоны озера Байкал. Известно, что эта зона - литодинамическая ступень между сушей и глубоководной частью озера, на которой перерабатывается материал суши и затем поставляется в глубину водоема в виде взвеси [18, 19].
С
Изолинии плотности массового расхода твёрдых взвесей на подстилающей поверхности региона Южного Байкала, кг/(км2- год): 3 - территория Байкальского заповедника
Изучение озерной взвеси как первоначальной стадии седиментогенеза необходимо для определения условий ее образования, установления основных
источников, определения процессов, влияющих на ее формирование. Одним из важных направлений в изучении озерной взвеси является ее геохимический состав, зависящий от минералогии и гранулометрии взвеси, пород и почв бассейна озера, физико-географических условий и техногенного фактора.
Поскольку концентрации взвешенного вещества в глубоководных (открытых) районах озер невелики -около 1 мг/л, то исследование геохимического состава взвеси из этих участков классическими методами представляет определенную трудность. Поэтому для определения элементов во взвеси был применен метод рентгенофлуоресцентного анализа (РФА-СИ, выполнен в Институте ядерной физики СО РАН, Новосибирск). Этот метод имеет высокую чувствительность, требует малых навесок исследуемого материала, позволяет определять большое число элементов [19].
Результаты исследования показали, что во взвеси озера Байкал преобладающими элементами являются Ре, Са, Мп, И, V, Сг, Си, 2п, РЬ. Содержание других элементов невелико. В целом концентрации вышеуказанных элементов изменяются в следующих пределах:
для центральных районов озера (мкг/л) Ca до 0.68 ^ до 4.42 Fe 0.90 - 13.42 ^ 0.08 - 0.49 Mn 0.29 - 0.66 Zn 0.05 - 0.28 Pb 0.00 - 0.34
для прибрежных участков (мкг/л) Ca 1.60 - 77.61 П 3.65 - 42.38 Fe 4.81 - 156.81 ^ 0.04 - 5.10 Mn 0.25 - 21.82 Zn 0.02 - 15.62 Pb 0.62 - 1.50.
Применение факторного анализа позволяет выявить группы связанных между собой элементов. Содержание любого элемента в каждой пробе рассматривается как результат совместного воздействия неких источников (факторов), которые и надлежит выявить в процессе анализа. Анализ сводится к выделению групп коррелирующих между собой элементов. Это означает, что такие группы формируются из элементов, обладающих значительными нагрузками на данный фактор. Факторные нагрузки рассчитываются из корреляционной матрицы элементов. Для интерпретации результатов элементного анализа байкаль-
ских проб выбраны три фактора по самому распро-страненому принципу: выбираются только факторы с собственными значениями больше 1. Эти три фактора объясняют до 90% общей дисперсии переменных. Первый фактор связан с элементами почвенного происхождения. Второй и третий факторы отражает вклад атмосферного загрязнения.
Таким образом, при комплексном рассмотрении природной системы Байкала и его региона в целях прогноза антропогенного воздействия на них через атмосферный канал следует учитывать структуру климата территории, а именно общий для региона западный перенос воздушных масс в процессе сезонной атмосферной циркуляции, что приводит к повышенному загрязнению атмосферы над озером и осаждению взвесей на акватории и прилежащих горных склонах.
Проведённые расчёты и выполненные по ним оценки показали, что основной вклад в загрязнение озера Байкал антропогенными выбросами вносят предприятия Слюдянки и Байкальска - городов, расположенных в непосредственной близости от озера. Вклад Иркутско-Черемховского промышленного узла меняется от 10% осенью и зимой до 40% весной. Влияние источников, расположенных в долине Селенги, наименьшее и не превышает 3% в теплый период и до 10% в холодный.
Максимальное загрязнение Байкальского заповедника происходит при северо-западном ветровом потоке атмосферными выбросами Иркутско-Черемховского промышленного узла.
Постоянное осаждение твердых примесей на акваторию озера и склоны Хамар-Дабана приводит к усилению литологического потока в котловине озера через атмосферный канал и переформированию озерной взвеси.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке концепций эффективной эксплуатации рекреационных ресурсов региона озера Байкал, а также для улучшения экологической обстановки региона при регулировании режима работы предприятий.
Работа выполнена при частичной поддержке проекта № 2.1.1/10862 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2011год)» Министерства образования и науки Российской Федерации.
Библиографический список
1. Bashurova V.S. , Dreiling V., Hodger T.V., Jaenicke R., Koutsenogii K.P., Koutsenogii P.K., Kraemer M., Makarov V.I., Obolkin V.A., Potjomkin V.L., Pusep A.Y. Measurements of atmospheric condensation nuclei size distributions in Siberia // Journal of Aerosol Science. 1992. Vol.23. № 2. P.191-199.
2. Koutsenogii P.K., Bufetov N.S., Drozdova V.I., Golobkova V.L., Khodger T.V., Koutsenogii K.P., Makarov V.I., Obolkin V.A., Potemkin V.L. Ion composition of atmospheric aerosol near lake Baikal // Atmospheric Environment. 1993. Vol. 27. № 11. P.1629-1633.
3. Экспериментальное исследование и численное моделирование аэрозолей и газовых примесей в атмосфере Южного Байкала / В.К.Аргучинцев [и др.] // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10, № 6. С.598-604.
4. Heavy metals in the atmosphere // Options. 1991. SEPT. P.11-12.
5. Потемкин В.Л., Макухин В.Л. Математическое моделирование процессов аэрозольного загрязнения в регионе озера Байкал // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т.18, № 1-2. С.176-179.
6. Аргучинцев В.К., Макухин В.Л. Математическое моделирование распространения аэрозолей и газовых примесей в пограничном слое атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9, № 6. С.804-814.
7. Makukhin V.L., Potemkin V.L. Numerical simulation of air pollution above the southern Baikal area with local winds // Proceedings of SPIE. 2000. Vol. 4341. P.580-585.
8. Potemkin V.L., Makukhin V.L. Mathematical modeling of pro-
cesses of aerosol pollution over Lake Baikal // Proceedings of SPIE. 2004. Vol. 5743. P.379-383.
9. Природные ресурсы и охрана окружающей среды. Статистический бюллетень за 1994 год. Иркутск: Гос. комитет РФ по статистике, 1995. 131 с.
10. Охрана атмосферного воздуха за 1997 год (в разрезе городов и районов): статистический бюллетень. Иркутск: Гос. комитет РФ по статистике, 1998. 161 с.
11. Охрана атмосферного воздуха: статистический бюллетень. Иркутск: Облкомстат, 2000.165 с.
12. Метеорологические ежемесячники. Новосибирск. 19851994. Вып. 22, ч.2.
13. Метеорологические ежемесячники. Чита. 1985-1994. Вып. 23,ч.2.
14. Аргучинцев В.К., Макухин В.Л. Моделирование вертикального распределения концентраций соединений серы и азота в пограничном слое атмосферы Южного Прибайкалья // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т.11, № 6. С.594-597.
15. Barrie L.A. Aspects of atmospheric pollutant origin and deposition revealed by multielemental observations at a rural loca-
tion in Eastern Canada // J. of Geoph. Research. 1988. Vol. 93(D4). P.3773-3788.
16. Латышева И.В., Макухин В.Л., Потемкин В.Л. Исследование характеристик Азиатского максимума и его влияния на загрязнение атмосферы в регионе оз.Байкал // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 20, № 5-6. С. 466-470.
17. Тимофеева С.С., Иванова А.С., Латышева И.В., Потемкин В.Л. Межгодовые вариации загрязнения атмосферы на юге Восточной Сибири // Вестник ИрГТУ. 2007. № 2. С. 4446.
18. Potyomkina T.G., Grachev A.M., Potyomkin V.L., Baryshev V.B. Chemical composition of suspension in water body of Lake Baikal // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment.1998. Vol.405. № 2-3. P.543-545.
19. Potyomkina T.G., Potyomkin V.L. Study of the chemical composition suspended particles in lake Baikal // Lakes & Reservoirs: Research and Management. 2000. Vol. 5. № 3. P.133-136.
УДК 544.723.21
ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ СТРУКТУРООБРАЗУЮЩЕГО КОМПОНЕНТА НА СВОЙСТВА ЦЕОЛИТОВ ZSM-5
С.А.Скорникова1, А.Ф.Гизетдинова2, С.С.Колесников3, И.Д.Резниченко4
1,3Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет,
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2,4ОАО Ангарский завод катализаторов и органического синтеза,
665830, Иркутская обл., г. Ангарск.
Исследовано влияние природы структурообразующего компонента на селективность образования цеолита ZSM-5 в системе x Na2O - y SiO2 - AI2O3 - z TAABr - n H2O в гидротермальных условиях без затравочных кристаллов. В качестве структурообразующих соединений использовали бромид тетраэтиламмония (ТЭА), бромид тетрапро-пиламмония (TPrA), бромид тетрабутиламмония (TBuA), моноэтаноламин (МЭА), гексаметилендиамин (ГМД). Показано, что природа органического структурообразующего компонента оказывает существенное влияние на морфологию образующегося цеолита. Приведены результаты исследования влияния состава кристаллизуемой смеси и условий синтеза на свойства цеолитов ZSM-5, полученных без органического структурообразующего компонента.
Ил. 3. Табл. 4. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: цеолиты; синтез цеолитов; изомеризация; гексан; морфология.
INFLUENCE OF THE NATURE OF THE STRUCTURE-FORMING COMPONENT ON THE PROPERTIES OF ZEOLITES ZSM-5
S.A. Skornikova, A.F. Gizetdinova, S.S. Kolesnikov, I.D. Reznichenko
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074. PLC Angarsk Factory of Catalysts and Organic Synthesis, Angarsk, Irkutsk region, 665830.
The paper studies the effect of the nature of a structure-forming component on the formation selectivity of zeolite ZSM-5 in the system x Na2O - y SiO2 - Al2O3 - z TAABr - n H2O under hydrothermal conditions without seed crystals. As structure-forming compounds tetraethylammonium (TEA) bromide, tetrapropylammonium (TPrA) bromide, tetrabutylammoni-
1Скорникова Светлана Афанасьевна, кандидат химических наук, доцент кафедры квантовой физики и нанотехнологий Физико-технического института, тел.: (3952) 405743.
Skornikova Svetlana, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Quantum Physics and Nanotechnologies of Physico-Technical Institute, tel.: (3952) 405743.
2Гизетдинова Анастасия Федоровна, инженер. Gizetdinova Anastasia, Engineer.
3Колесников Сергей Сергеевич, преподаватель кафедры физики. Kolesnikov Sergey, Lecturer of the Department of Physics.
4Резниченко Ирина Дмитриевна, генеральный директор. Reznichenko Irina, Managing director.