Ґрунтова композиція для техногенно забруднених і неплідних ґрунтів посушливих територій

Реферат: Винахід належить до галузі сільського господарства, призначений для рекультивації забруднених катіонами важких металів і радіонуклідами територій, а також безплідних ґрунтів. Ґрунтова композиція для техногенно забруднених і неплідних ґрунтів посушливих територій, що містить гідротермально модифікований природний цеоліт, водний розчин органо-мінерального добрива з вмістом NPK-сполук та додатково містить спучений перліт, причому суміш гідротермально модифікованого природного цеоліту та спученого перліту просочена регулятором росту рослин на основі гумінових сполук. UA 99999 C2 (12) UA 99999 C2 UA 99999 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Ґрунтова композиція для техногенно забруднених і неплідних ґрунтів посушливих територій Винахід належить до галузі сільського господарства, призначений для рекультивації забруднених катіонами важких металів і радіонуклідами територій, а також безплідних ґрунтів, і може бути використаний в агропромисловому комплексі як засіб, що забезпечує екологічно чисте господарювання та високопродуктивне вирощування сільськогосподарських культур, зокрема, зернових та бобових, технічних, ягідних і овочевих культур, різних порід дерев (в т.ч. плодово-ягідних) та чагарників на забруднених і безплідних територіях. Відоме повне комплексне органо-мінеральне добриво, яке містить органічне добриво, мінеральне NPK-добриво та природний цеолітвмісний компонент трепел, що включає макро- і мікроелементи, кальцій і магній - розкислювачі ґрунтів та цеоліти-сорбенти (Патент № 2223250 RU C05D 9/02). Недоліком комплексного органо-мінерального добрива за відомим рішенням є те, що воно не здатне адсорбувати катіони важких металів та радіонуклідів у зв'язку з відсутністю активних адсорбційних центрів вибіркової дії на поверхні частинок його компонентів, тому і використовується для зниження кислотності ґрунту, а його застосування для рекультивації забруднених радіонуклідами територій і безплідних ґрунтів не ефективне. Найбільш близьким за технічною суттю до винаходу, що заявляється, є, вибране за прототип, органо-мінеральне добриво, яке містить торф і мінеральні добрива (азотні, фосфатні, калійні) та, як сорбент, природний цеоліт при наступному співвідношенні інгредієнтів, мас. %: торф (сухої речовини) 44-65 цеоліт 5-22 мінеральні добрива до 23-45 (Патент № 2121489 RU С10F 9/02). Недоліком рішення за прототипом є, по-перше, те, що торф містить не більше 10 % органіки і вносити його необхідно у великих кількостях, а після засвоєння рослинами його корисних речовин залишається баласт, який знижує загальну продуктивність ґрунту; по-друге, природний цеоліт має величину вхідних вікон цеолітових каналів та сорбційну ємність, що не достатні для ефективного адсорбційного зв'язування катіонів важких металів і радіонуклідів; крім того, застосування такого органо-мінерального добрива в посушливих регіонах характеризується недостатнім вмістом вологи; зважаючи на вищезазначене, його не ефективно використовувати для рекультивації безплідних і пустельних земель, а також їх озеленення. В основу винаходу поставлена задача отримання нової ґрунтової композиції для техногенно забруднених і неплідних ґрунтів посушливих територій шляхом зміни складу її компонентів, а саме: введенням до складу композиції гідротермально модифікованого природного цеоліту, спученого перліту, та насиченням суміші цих компонентів розчином органо-мінеральних сполук, що, за рахунок підвищення сорбційних властивостей композиції та збільшення ефективності адсорбційного зв'язування катіонів важких металів і радіонуклідів, з одночасною пролонгованістю дії щодо використання рослинами поживних речовин композиції, забезпечує детоксикацію земель, рекультивацію ґрунтів сільськогосподарського призначення та підвищення родючості ґрунту. Така ґрунтова композиція придатна для використання при озелененні посушливих земель; при цьому зменшується необхідна кількість органічних та мінеральних добрив, що традиційно застосовуються. Поставлена задача вирішується тим, що ґрунтова композиція для техногенно забруднених і неплідних ґрунтів посушливих територій з вмістом природного цеоліту та органо-мінерального добрива з вмістом NPK-сполук, згідно з винаходом, як природний цеоліт містить гідротермально модифікований природний цеоліт та додатково містить спучений перліт, причому суміш гідротермально модифікованого природного цеоліту та спученого перліту просочена регулятором росту рослин на основі гумінових сполук та водним розчином мінерального добрива з вмістом NPK-сполук, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: гідротермально модифікований 67,0-72,0 природний цеоліт спучений перліт 3,3-3,8 регулятор росту рослин на 3,3-3,8 основі гумінових сполук водний розчин мінерального 21,0-25,4. добрива з вмістом NPK-сполук До ґрунтової композиції, що заявляється, введений модифікований природний цеоліт, яким є природний цеоліт, підданий гідротермальній обробці, за рахунок чого розширюються вхідні вікна в цеолітові канали його частинок і зростає кількість обмінних катіонів в них, завдяки чому має місце адсорбційне зв'язування катіонів важких металів і радіонуклідів із складу ґрунту; 1 UA 99999 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 таким чином, природний цеоліт в результаті гідротермальної модифікації набуває структури типу жисмондину. Тонкопориста структура (цеолітові канали) природного цеоліту доступна лише для одновалентних катіонів (калій, цезій), а використання у ґрунтовій композиції природного цеоліту, що підданий гідротермальній обробці, який набув властивості цеоліту типу жисмондину, забезпечує їй вибірковість по відношенню до катіонів двовалентних і більш важких металів, що збільшує ефективність адсорбційного зв'язування катіонів важких металів і радіонуклідів. При адсорбції води в поверхневому шарі гідротермально модифікованого природного цеоліту, відбуваються певні перетворення, в т.ч. діє механізм перенесення протону до молекулярного партнера. Молекула води, адсорбована на трикоординованому атомі алюмінію, який виходить на поверхню частинки гідротермально модифікованого природного цеоліту, здатна виявляти протонодонорні властивості (передача протона) і активувати молекулярного партнера, що бере участь в адсорбції. У первинному акті взаємодії з фрагментом структури гідротермально модифікованого природного цеоліту утворюється поверхнева сполука, в якій молекула води з'єднується водневим зв'язком з -ОН-групою гідротермально модифікованого природного цеоліту. В цьому випадку стає енергетично більш вигідним вторинний акт взаємодії - приєднання партнера до адсорбованої молекули води. Стадії адсорбційного процесу, що протікають на поверхні частинок, прискорюються кислотними центрами, носіями яких є аморфні алюмосилікати, цеоліти. Таким чином, з позицій механізму процесів адсорбції, що протікають на поверхні мінеральних частинок, можливо і доцільно навантаження структури гідротермально модифікованого природного цеоліту необхідною кількістю елементів живлення, які адсорбційними силами будуть утримуватися поверхневими активними центрами і, завдяки механізму міграції катіонів таких елементів по гідроксильованій поверхні частинок мінералів, пролонговано переходити у ризосферний шар та засвоюватися кореневою системою рослин. Введення до ґрунтової композиції, що заявляється, спученого перліту обумовлено тим, що внутрішня структура його частинок широкопориста і вони здатні акумулювати до 400 % води по відношенню до власної ваги, тому його підвищений сорбційний об'єм використаний, згідно з даним винаходом, як носій поживних речовин: широкі пори спученого перліту здатні приймати великий об'єм як води, так і розчинів поживних речовин. Суміш природного цеоліту, що попередньо підданий гідротермальній обробці для збільшення адсорбційної активності його внутрішньої структури, та спученого перліту просочена регулятором росту рослин на основі гумінових сполук та водним розчином мінерального добрива з вмістом NPK-сполук. Цим зумовлюється те, що на зовнішній поверхні і на розвиненій внутрішній поверхні пористої структури мінеральних частинок суміші протікають процеси активованої адсорбції підвищеної кількості елементів живлення, які адсорбційними силами утримуються поверхневими активними центрами (та не вимиваються при цьому ґрунтовими водами) і, за рахунок міграції катіонів по гідроксильованій поверхні частинок суміші, завдяки щільному розташуванню поверхневих активних центрів, пролонговано надходять у ризосферний шар та засвоюються кореневою системою рослин, якій також притаманна катіонообмінна ємність. Підвищений вміст у ґрунтовій композиції вологи, обумовлений властивостями спученого перліту, інтенсифікує протікання катіонообмінних процесів у розгалуженій мікропористій структурі гідротермально модифікованого природного цеоліту, завдяки чому зростає ефективність адсорбційного зв'язування катіонів важких металів, в т.ч. радіонуклідів, активними центрами на внутрішній поверхні гідротермально модифікованого природного цеоліту, що свідчить про синергетичний ефект спученого перліту по відношенню до гідротермально модифікованого природного цеоліту. Кількісні показники співвідношення інгредієнтів ґрунтової композиції встановлені дослідним шляхом і наведені в прикладах конкретного виконання винаходу. Ґрунтова композиція готується наступним чином. Природний цеоліт піддається гідротермальній обробці при температурах до 100 °C в лужному розчині, завдяки чому він набуває властивості цеоліту типу жисмондину. До гідротермально модифікованого природного цеоліту додається пропорційна кількість спученого перліту. При ретельному перемішуванні, до суміші послідовно приливається розрахована кількість регулятору росту рослин на основі гумінових сполук та попередньо приготовлений водний розчин мінерального добрива з вмістом NPK-сполук. При постійному перемішуванні суміш доводиться до повного насичення, при цьому одержується розсипчаста маса ґрунтової композиції. Суть винаходу пояснюється прикладом конкретного виконання. 2 UA 99999 C2 5 10 15 Для одержання 1000 кг ґрунтової композиції, що заявляється, для внесення в супіщаний ґрунт з вмістом радіоактивного стронцію (Sr-90), взято 700 кг гідротермально модифікованого природного цеоліту, до нього додано 35 кг спученого перліту. При ретельному перемішуванні до їх суміші послідовно приливають 35 кг регулятора росту рослин на основі гумінових сполук та 230 кг водного розчину мінерального добрива з вмістом NPK-сполук. При постійному перемішуванні суміш доводиться до повного насичення з одержанням розсипчастої маси ґрунтової композиції. Водний розчин мінерального добрива з вмістом NPK-сполук приготовлений із розрахунку 90 кг мінеральних солей, що розчинені у 140 літрах води. Вплив ґрунтової композиції, що заявляється, на характеристики і забрудненість рослин, на прикладі цукрового буряку, наведені в табл. 1, де 1 - контроль при відсутності забрудненості, 2-6 - приклади з фоном, що містить катіони Сu та Μn. Ефективність ґрунтової композиції за даним винаходом комплексно підтверджена результатами вегетаційного досвіду з цукровим буряком в ґрунтовій культурі, яку моделювали, завантажуючи в посудини по 10 кг сухого ґрунту, забрудненого водорозчинними сполуками марганцю та міді в 10-кратній дозі, і змішуючи його з ґрунтовою композицією із розрахунку 5 % до маси ґрунту. Таблиця 1 Склад ґрунтової композиції, мас. % Результати аналізів Гідротермально Водний Маса одного Вміст Μn в сухих листках, мг/кг; №№ Регулятор модифікований Перліт розчин сухого Цукристість, відбір проб після посіву через: пп. росту природний спучений NPK- коренеплоду, % рослин 30 діб 60 діб 90 діб цеоліт сполук г 1 61,29±4,15 16,6 2 Рослини загинули 196,0±1,4 213,2±2,4 275,0±2,2 3 11 3,3 3,3 21,4 63,89±3,01 16,0 58,5±0,9 46,3±1,0 32,0±1,4 4 70 3,5 3,5 23,0 76,60±4,09 16,7 41,0±0,6 38,7±0,4 29,3±0,5 5 68,8 3,6 3,6 24,0 66,26±3,03 16,4 78,0±0,7 60,2±0,6 40,4±0,5 6 67 3,8 3,8 25,4 65,26±6,95 16,2 80,0±0,8 78,1±0,9 70,1±1,1 20 25 30 35 З табл. 1 випливає, що внесення в ґрунт високих доз марганцю і міді викликає загибель рослин цукрових буряків. Застосування ґрунтової композиції, що заявляється, запобігає токсичній дії надлишку цих катіонів. Внесення ґрунтової композиції, що заявляється, в ґрунт на фоні 10-кратних доз марганцю і міді знижує накопичення марганцю в листі в 2,5-3,5 рази, доводячи його вміст до норми. Найбільш ефективним є склад ґрунтової композиції, що заявляється, за прикладом 4. Ефективність ґрунтової композиції, що заявляється, вивчали в лабораторних і польових умовах. З метою підтвердження вибірковості ґрунтової композиції, що заявляється, до катіонів важких металів проведені натурні випробування щодо детоксикації ґрунту з її застосуванням у Будапештському районі Нодьтетень (Угорщина), забрудненому викидами акумуляторного заводу (проби ґрунту та біомаси досліджували методом атомно-абсорбційного аналізу в Середньодунайській екологічній лабораторії). Поверхневі шари ґрунту в районі відбору проб містили свинець та його сполуки в кількості, що в 20-30 і більше разів перевищують гранично допустимі норми. Лабораторні випробування матеріалів для детоксикації проб ґрунту проводили шляхом аналізу водної витяжки із суміші 1 частини ґрунтової композиції, що заявляється, і 10 частин проб ґрунту. Тривалість витримки суміші 8 годин. Для випробувань взяті найбільш забруднені проби ґрунту. Максимальний загальний вміст свинцю в ґрунті становив 1176,5 мг/кг при концентрації водорозчинних форм 25,2 мг/кг (кислоторозчинні форми 1004,3 мг/кг; сульфат свинцю - 172,2 мг/кг; рН 7,35). Суттєве зменшення концентрації катіонів важких металів в пробі ґрунту після внесеннядо нього фунтової композиції, що заявляється, наведено в табл. 2. 40 3 UA 99999 C2 Таблиця 2 Концентрація катіонів важких металів До внесення, мг/кг Після внесення, мг/кг 89 14 7,4 1,9 6,7 2,6 960 210