Геофизическая оценка эффективности цеолитсодержащих барьеров для защиты вод от загрязнения на горнопромышленных территориях

Т.А. Панфилова; В.В. Кукарцев; Е.В. Худякова; М.Н. Степанцевич; Л.В. Красовская

doi:10.46698/VNC.2025.44.49.001

Т.А. Панфилова Сибирский федеральный университет, Россия, 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79; Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, Россия, 105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, 5
В.В. Кукарцев Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, Россия, 105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, 5; Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. Тимирязева, Россия, 127434, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49
Е.В. Худякова Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. Тимирязева, Россия, 127434, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49
М.Н. Степанцевич Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. Тимирязева, Россия, 127434, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49
Л.В. Красовская Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А. Тимирязева, Россия, 127434, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49

DOI: https://doi.org/10.46698/VNC.2025.44.49.001

Ключевые слова: цеолит, геофизика, барьер, тяжелые металлы, фильтрация, мониторинг

Резюме

Актуальность работы. Загрязнение водных ресурсов тяжёлыми металлами в районах горнопромышленной деятельности остаётся одной из наиболее острых экологических проблем юга России. Для минимизации рисков миграции токсикантов в гидросферу применяются природные сорбционные материалы, среди которых цеолиты выделяются высокой доступностью и селективностью. Важной задачей становится разработка неразрушающих методов оценки эффективности таких барьеров в реальных условиях эксплуатации. Цель исследования. Экспериментально обосновать эффективность цеолитсодержащих барьеров для защиты водных ресурсов горнопромышленных территорий и продемонстрировать возможности применения геофизических методов для мониторинга их состояния. Методы исследования. В данной работе был проведён комплекс лабораторных и полевых испытаний с использованием природного клиноптилолита из Западного Прикаспия. На опытном полигоне применялись электротомография, георадар и сейсмоакустические измерения, синхронизированные с анализом фильтратов и физико-химических свойств образцов. Дополнительно внедрена автоматизированная станция телеметрического контроля влажности и удельного сопротивления в режиме реального времени. Результаты. В результате проведенных исследований установлено, что цеолитсодержащие барьеры обеспечивают снижение концентраций тяжёлых металлов до 77,8–92,3 %, а коэффициент эффективного использования сорбционного ресурса достигает 0,59. Геофизические методы выявили высокую чувствительность к изменениям структуры и гидрогеохимических параметров барьера, включая снижение удельного сопротивления и pH, рост плотности и перестройку минеральной структуры. Интеграция полевых и аналитических данных показала, что предложенный подход позволяет оперативно диагностировать зоны перегрузки и прогнозировать деградацию барьерной функции, что делает его перспективным инструментом экологической защиты водных объектов.

Литература

Голик В.И., Бурдзиева О.Г. К концепции разработки месторождений Садонского рудного пояса. // Геология и геофизика Юга России. – 2023. – Т. 13. № 3. – С. 180–192. DOI: 10.46698/VNC.2023.26.85.014.

Закруткин В.Е., Гибков Е.В., Решетняк В.Н. Химический состав и некоторые особенности минералообразования в донных отложениях рек бассейна Северского Донца (в пределах Ростовской области). // Геология и геофизика Юга России. – 2022. – Т. 12. № 1. –С. 19–34. DOI: 10.46698/VNC.2022.20.40.002.

– Закруткин В.Е., Решетняк В.Н. Распределение железа и его минералов в речных отложениях Восточного Донбасса. // Геология и геофизика Юга России. – 2023. – Т. 13. № 4. С. 85–98. DOI: 10.46698/VNC.2023.89.38.007.

Мирзоева Н.Ю., Проскурнин В.Ю., Кейта И., Диалло А.И.П., Горбунов Р.В., Коротков А.А., Горбунова Т.Ю., Вахрушев М.О., Терещенко Н.Н. Влияет ли добыча полезных ископаемых открытым способом на загрязнение речных экосистем тяжелыми металлами и природным радионуклидом Po-210 (исследования на примере реки Фатала, Гвинейская Республика)? // Геология и геофизика Юга России. – 2024. – Т. 14. № 4. – С. 206–217. DOI: 10.46698/VNC.2024.37.37.017.

Нуреев Р.Р., Пашкевич М.А., Харько П.А. Оценка воздействия отходов обогащения медных руд на поверхностные и подземные воды. // Геология и геофизика Юга России. – 2022. – Т. 12. № 4. – С. 169–179. DOI: 10.46698/VNC.2022.37.95.013.

Павленко Ю.В. Цеолитовые месторождения Восточного Забайкалья. – Чита: ЧитГУ, 2000. – 101 с.

– Реутова Н.В., Реутова Т.В., Дреева Ф.Р. Природное и антропогенное загрязнение микроэлементами верховий бассейна р. Ардон. // Геология и геофизика Юга России. – 2025. Т. 15. № 2. – С. 219–230. DOI: 10.46698/VNC.2025.46.62.001.

Реутова Н.В., Реутова Т.В., Дреева Ф.Р., Хутуев А.М. Микроэлементный состав поверхностных вод бассейна реки Малка и геохимические особенности региона. // Геология и геофизика Юга России. – 2021. – Т. 11. № 3. – С. 172–184. DOI: 10.46698/VNC.2021.20.60.014.

Ускун С. Активация цеолитов Малатья Хекимхан механохимическим методом и использование в адсорбции тяжелых металлов: дис. ... магистра наук. – Малатья: Университет Иноню, 2019. – 102 с.

Хатькова А.Н., Размахнин К.К., Шумилова Л.В., Черкасов В.Г., Размахнина И.Б. Обогащение и модификация свойств цеолитсодержащих пород с целью расширения областей их практического применения. // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 3-2. – С. 153–163. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_32_0_153.

Черкашин В.И., Заалишвили В.Б., Мамаев С.А., Атаев З.В., Ибаев Ж.Г., Сулейманов В.К. Геоэкологическое состояние верховьев бассейна реки Аварское Койсу. // Геология и геофизика Юга России. – 2024. – Т. 14. № 4. – pp. 100–112. DOI: 10.46698/VNC.2024.77.35.009.

Юсупов А.Р., Мамаев С.А., Юсупов З.А., Мамаев А.С. Цеолитсодержащие кремнистые породы Дагестана как добавка для получения керамической волластонитсодержащей облицовочной плитки. // Геология и геофизика Юга России. – 2022. – Т. 12. № 4. – С.142– 152. DOI: 10.46698/VNC.2022.71.95.011.

Юсупов А.Р., Мамаев С.А., Атаев З.В. Адсорбционные свойства цеолитсодержащих кремнисто-карбонатных пород Дагестана. // Геология и геофизика Юга России. – 2025. – Т. 15. № 1. – С. 141–150. DOI: 10.46698/VNC.2025.31.49.012.

Юсупов А.Р., Мамаев С.А., Юсупов З.А., Мамаев А.С. Особенности цеолитсодержащих кремнисто-карбонатных пород Дагестана. // Геология и геофизика Юга России. – 2023. – Т. 13. № 4. – С. 99–107. DOI: 10.46698/VNC.2023.55.96.008.

Юсупов Т.С. Методы диагностики и количественного определения содержания цеолитов в горных породах. – Новосибирск: ИГГ СО АН СССР, 1985. – С. 161–168.

Alam R., Ahmed Z., Howladar M.F. Evaluation of heavy metal contamination in water, soil and plant around the open landfill site Mogla Bazar in Sylhet, Bangladesh. // Groundwater for Sustainable Development. – 2020. – Vol. 10. Art. No. 100311.

Alpat S.K., Ozbayrak O., Alpat S., Akcay M. The adsorption kinetics and removal of lead (II) ions from aqueous solutions with natural zeolite. // Journal of Hazardous Materials. – 2008. – Vol. 153. No. 1-2. – pp. 753–759. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2007.09.048.

Inglezakis V.J., Grigoropoulou H.P. Effects of operating conditions on the removal of heavy metals by zeolite in fixed bed reactors. // Journal of Hazardous Materials. – 2004. – Vol. B112. No. 1-2. – pp. 37–43. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2004.04.008.

Kumar R., Kaushik C.P., Kaushik A. Sorption of heavy metals on natural and modified Indian zeolites. // Environmental Monitoring and Assessment. – 2012. – Vol. 185. No. 4. – pp. 3339–3347. DOI: 10.1007/s10661-012-2788-7.

Li H., Watson J., Zhang Y., Lu H., Liu Z. Environment-enhancing process for algal wastewater treatment, heavy metal control and hydrothermal biofuel production: A critical review. // Bioresource Technology. – 2020. – Vol. 298. Art. No. 122421.

Lin L., Lei Z., Wang L., Liu X., Zhang Y., Wan C., Lee D.J. Adsorption mechanisms of high-arsenic wastewater by natural zeolite. // Environmental Science and Pollution Research. – 2014. – Vol. 21. No. 6. – pp. 4408–4417. DOI: 10.1007/s11356-013-2386-2.

Malekian R., Abedi-Koupai J., Eslamian S. Effectiveness of natural zeolite in removing salinity and heavy metals from urban runoff in laboratory scale. // Journal of Environmental Management. – 2011. – Vol. 92. No. 3. – pp. 837–845. DOI: 10.1016/j.jenvman.2010.10.002.

Meshko V., Markovska L., Mincheva M., Rodrigues A.E. Adsorption of basic dyes on granular acivated carbon and natural zeolite. // Water Research. – 2001. – Vol. 35. No. 14. – pp. 3357–3366. DOI: 10.1016/S0043-1354(01)00056-2.

Milyutin V.V., Razmakhnin K.K., Khatkova A.N., Nekrasova N.A. Natural Zeolites of Eastern Transbaikalia in Technologies for Mining Enterprises Wastewater Treatment. // Journal of Environmental Research, Engineering and Management. – 2020. – Vol. 76. No. 3. – pp. 62–70.

Motsi T., Rowson N.A., Simmons M.J. Adsorption of heavy metals from acid mine drainage by natural zeolite. // International Journal of Mineral Processing. – 2009. – Vol. 92. No. 1–2. – pp. 42–48. DOI: 10.1016/j.minpro.2009.03.001.

Oren A.H., Kaya A. Factors affecting adsorption characteristics of Zn2+ on two natural zeolites. // Journal of Hazardous Materials. – 2006. – Vol. 131. No. 1-3. – pp. 59–65. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2005.09.022.

Razmakhnin K.K., Khatkova A.N. Role of mineralogical and technological evaluation in development of processing technologies for zeolite-containing rocks. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2019. – Vol. 262. Art. No. 012056. DOI: 10.1088/17551315/262/1/012056.

Sprynskyy M., Buszewski B., Terzyk A.P., Namiesnik J. Study of the selection mechanism of heavy metal (Pb2+, Cu2+, Ni2+, and Cd2+) adsorption on clinoptilolite. // Journal of Colloid and Interface Science. – 2006. – Vol. 304. No. 1. – pp. 21–28. DOI: 10.1016/j.jcis.2006.08.003.

Thakare Y.N., Jana A.K. Performance of high density ion exchange resin (INDION225H) for removal of Cu(II) from wastewater. // Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2015. – Vol. 3. No. 2. – pp. 1393–1398.

Wang S., Peng Y. Natural zeolites as effective adsorbents in water and wastewater treatment. // Chemical Engineering Journal. – 2010. – Vol. 156. No. 1. – pp. 11–24. DOI: 10.1016/j. cej.2009.10.029.

Wang Y., Yu Y., Li H., Shen C. Comparison study of phosphorus adsorption on different waste solids: Fly ash, red mud and ferric–alum water treatment residues. // International Journal of Environmental Science. – 2016. – Vol. 50. – pp. 79–86.