Safety in Technosphere Safety in Technosphere Безопасность в техносфере 1998-071X 22547 10.12737/article_5b5efdbcbdf5b3.43042870 Экология техносферы Technosphere ecology Экология техносферы Eco-Geo-Chemistry of Mercury in Soils and Coals of the South of Kuzbass Экогеохимия ртути в почвах и углях юга Кузбасса Осипова Н. А. Osipova N. A. osipova@tpu.ru

кандидат химических наук;

candidate of chemical sciences;

 Арбузов С. И. Arbuzov S. I.

доктор геолого-минералогических наук;

doctor of geological and mineralogical sciences;

 Ткачева Е. В. Tkacheva E. V. Язиков Е. Г. Yazikov E. G.

доктор геолого-минералогических наук;

doctor of geological and mineralogical sciences;

 Тарасова Наталия Павловна Tarasova Natalya Pavlovna

доктор химических наук;

doctor of chemical sciences;

 Национальный исследовательский Томский политехнический университет National Research Tomsk Polytechnic University Национальный исследовательский Томский политехнический университет Россия Research Tomsk Polytechnic University Russian Federation Национальный исследовательский Томский политехнический университет Россия Research Tomsk Polytechnic University Russian Federation Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева D.Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia 7 1 20 26 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/22547/view

Оценка содержания ртути в горных породах и депонирующих средах как токсичного компонента продуктов сгорания углей в полном соответствии с концепцией «Зеленой химии» направлена на идентификацию рисков, обусловленных воздействием опасных видов деятельности на окружающую среду. В статье представлены результаты по определению содержания ртути в углях Южного Кузбасса и в почвах угледобывающего района. Содержание ртути в почве (30 проб) и углях (30 проб) определяли методом атомной абсорбции на ртутном анализаторе РА‑915+ с пиролитической приставкой. Содержание ртути в углях Междуреченского разреза варьирует в диапазоне от 0,13 до 2,46 мг/кг при средней концентрации 0,57±0,10 мг/кг. Установленные содержания превышают кларк ртути в углях от 1,3 до 24,6 раз. Содержание ртути в пробах почвы изменяется от 0,012 до 0,173 мг/кг, при средней величине 0,057±0,007 мг/кг, что в 1,7 превышает среднее содержание ртути в континентальной земной коре. На территории города Междуреченск выделяются пять ареалов с превышением содержания ртути в почве в 3,1–5,3 раз относительно кларка. За последние 25 лет произошло снижение среднего содержания ртути в почве в 2,8 раза. Методом последовательных ацетатно-аммонийных и солянокислых вытяжек изучена растворимость ртути из почв техногенных ландшафтов. Растворимость ртути в водных вытяжках из почв г. Междуреченска в 2,2–2,9 раза выше, чем из почв ненарушенных ландшафтов; в ацетатно-солянокислых и в щелочных — в пределах содержания в природных почвах; в сильнокислых вытяжках обнаружена максимальная растворимость ртути (30,6–84,8% от общего количества).Основываясь на ведущей роли угольной пыли в валовом поступлении ртути в окружающую среду г. Междуреченска, можно прогнозировать повышение ее фона в городе и окрестностях при росте угледобычи в районе без внедрения современных эффективных методов пылеподавления.

Assessment for content of mercury as a toxic component of coal combustion by-product in rocks and deposit environments is aimed at identification of risks caused by impact of hazardous activities on the environment in full concordance with green chemistry concept. In this paper have been presented results of mercury content determination for the South Kuzbass coals and soils of the coal-mining area. The mercury contents in soils (30 samples) and coals (30 samples) were determined by atomic absorption method on the RA‑915+ mercury analyzer with pyrolytic attachment. The mercury content in Mezhdurechensk strip mines’ coals varies from 0.13 to 2.46 mg/kg with the average concentration of 0.57±0.10 mg/kg. The determined content exceeds the Clarke of mercury in coals by factor of 1.3 to 24.6. The mercury content in soil samples varies from 0.012 to 0.173 mg/kg with the average value of 0.057±0.007 mg/kg, which is by 1.7 times more than the average mercury content in the Earth crust. There are five locations within Mezhdurechensk city area where the mercury content in the soil exceeds 3.1–5.3 times the Clark value. During past 25 years the average mercury content in the soil has been decreased by 2.8 times. The solubility of mercury from technogenic landscapes’ soils has been studied by methods of successive acetate-ammonium and hydrochloric acid extracts. The solubility of mercury in aqueous extracts from Mezhdurechensk soils is by 2.2–2.9 times higher than the ones taken from undisturbed landscapes, in acetate-hydrochloric acid and alkaline extracts it is within the limits of content in natural soils; in strongly acidic extracts has been found the maximum solubility of mercury (30.6–84.8% from the total amount). Based on the major contribution of coal dust in the gross input of mercury into the environment of Mezhdurechensk, it is possible to expect the increasing of mercury background in and around the city caused by the growth of coal mining in the area without implementation of modern and effective methods for dust suppression.

 сжигание и добыча угля ртуть геохимия почвы формы нахождения метод последовательных почвенных вытяжек. coal combustion and mining mercury geochemistry soils deportments method of successive soil extracts.

1. ВведениеВ XXI веке стратегическое значение имеют исследования, направленные на широкое использование экологически чистых технологий, сводящих к минимуму объемы промышленных отходов или устраняющих причины их образования. Это существенная составная часть работ в области «зеленой» химии во всем мире, в том числе и в России. «Зеленая» химия как инструмент снижения воздействия на окружающую среду [1, 2] придает особое значение оценке экологической опасности отходов и выбросов, обусловливающих повсеместное химическое загрязнение компонентов природной среды, в том числе и выбросов ртути. Постоянное действие ртути как одного из опасных суперэкотоксикантов в угольной отрасли и, особенно, в теплоэнергетике [3], даже в количествах, которые ниже предельно допустимых концентраций (ПДК), может представлять угрозу для здоровья [4, 5]. Поступление ртути в окружающую среду из современных техногенных процессов относительно небольшое, однако оно требует проведения мониторинговых наблюдений для оценки возможных экологических рисков [6]. Вынос Hg в газовую и аэрозольную фазы из высокотемпературной зоны пылеугольных топок с сухим шлакоудалением составляет 98–99%. Независимо от конструкции топки и режима сжигания, ртуть почти целиком уходит в летучие продукты. При этом в среднем только 36% ее улавливается на фильтрах, а 64% выбрасывается в атмосферу [7]. Поэтому объем выбросов ртути при сжигании углей зависит в первую очередь от ее содержания в углях, от общего количества сжигаемого топлива и общего количества выбросов [8–9]. Несмотря на отчетливое преобладание природного газа в сырьевом энергетическом балансе России, доля угольной генерации в структуре тепло-электроэнергетики, начиная с 2005 г., остается стабильно высокой. Прогнозируется увеличение доли угольной генерации энергии с 14,6% до 25,6% к 2030 г. [10]. Соответственно при сохранении прежних технологий сжигания угля и очистки отходящих загрязняющих веществ будет расти доля загрязняющих веществ от сжигания топлива, в том числе и твердых выбросов, содержащих тяжелые металлы. Эти тенденции характерны и для Кузбасса. Анализ распределения ртути в почвах Донбасса показал, что основную роль в загрязнении окружающей среды этим металлом играют угледобывающие, углеперерабатывающие и углепотребляющие предприятия, а также бытовое сжигание угля.

Tarasova N. P. Green chemistry and sustainable development: approach esto chemical footprintan alysis / N. P. Tarasova, A. S. Makarova, S. F. Vinokurovet al. // Pureand Applied Chemistry. - 2018. - № 90(1). - P. 143-155. Tarasova N. P. Green chemistry and sustainable development: approach esto chemical footprintan alysis / N. P. Tarasova, A. S. Makarova, S. F. Vinokurovet al. // Pureand Applied Chemistry. - 2018. - I. 90(1). - P. 143-155. Тарасова Н. П., Ингель Ф. И., Макарова А. С. Зеленая химия как инструмент снижения рисков, обусловленных воздействием химически опасных объектов на окружающую среду // Химическая физика. - 2015. - Т. 34. - № . 6. - С. 5-11. Tarasova N. P., Ingel’ F.I., Makarova A. S. Zelenaya khimiya kak instrument snizheniya riskov, obuslovlennykh vozdeystviem khimicheski opasnykh ob»ektov na okruzhayushchuyu sredu [Green chemistry as a tool to reduce the risks caused by the exposure of chemically hazardous objects to the environment]. Khimicheskaya fizika [Chemical Physics]. 2015, V. 34, I. 6, pp. 5-11. (in Russian) Уголь России: влияние на окружающую среду и человека [Электронный ресурс] - URL: https://ecdru.files.wordpress.com/2014/09/coal.pdf (дата обращения: 20.12.2016) Ugol’ Rossii: vliyanie na okruzhayushchuyu sredu i cheloveka [Russian coal: the impact on the environment and human]. Available at: https://ecdru.files.wordpress.com/2014/09/ coal.pdf (accessed 20 December 2016). (in Russian) Глазовская М. А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов. М.: Высшая школа, 1988. - 328 с. Glazovskaya M. A. Geokhimiya prirodnykh i tekhnogennykh landshaftov [Geochemistry of natural and technogenic landscapes]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1988. 328 p. (in Russian) Иванов В. В. Экологическая химия элементов. Т. 5 Редкие d-элементы. М.: Экология, 1997. - 576 с. Ivanov V. V. Ekologicheskaya khimiya elementov [Ecological chemistry of elements]. Redkie d-elementy [Rare d-elements]. Moscow, Ekologiya Publ., 1997, V. 5, 576 p. (in Russian) Аношин Г. Н. Ртуть в окружающей среде юга Западной Сибири / Г. Н. Аношин, И. Н. Маликова, С. И. Ковалев и др. // Химия в интересах устойчивого развития. - 1995. - Т. 3. - № 1-2. - С. 69-111. Anoshin G. N. Rtut’ v okruzhayushchey srede yuga Zapadnoy Sibiri [Mercury in the environment of the south of Western Siberia]. Khimiya v interesakh ustoychivogo razvitiya [Chemistry for Sustainable Development]. 1995, V. 3, I. 1-2, pp. 69-111. (in Russian) Kolker A., Senior C.L, Quick J. C. Mercury in coal and the impact of coal quality on mercury emissions from combustion systems. // Applied Geochemistry, 2006. - V.21 - P. 1821-1836 Kolker A., Senior C.L, Quick J. C. Mercury in coal and the impact of coal quality on mercury emissions from combustion systems. // Applied Geochemistry, 2006. - V. 21 - P. 1821-1836 Кизильштейн Л. Я. Экогеохимия элементов-примесей в углях. - Ростов-н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2002. - 296 с. Kizil’shteyn L. Ya. Ekogeokhimiya elementov-primesey v uglyakh [Ecogeochemistry of element-impurities in coals]. Rostov-on-Don: SKNTs VSh Publ., 2002. 296 p. (in Russian) Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Токсичные элементы-примеси в ископаемых углях. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН. 2005. - 655 с. Yudovich Ya.E., Ketris M. P. Toksichnye elementy-primesi v iskopaemykh uglyakh [Toxic elements-impurities in fossil coals]. Ekaterinburg: UrO RAN Publ., 2005. 655 p. (in Russian) Энергетическая стратегия России на период до 2030 го-да // Министерство энергетики РФ: официальный сайт - URL: https://minenergo.gov.ru/node/1026 (дата обращения 20.09.2017). Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2030 goda [Russia’s energy strategy for the period until 2030]. Ministerstvo energetiki RF: ofitsial’nyy sayt [Ministry of Energy of the Russian Federation: official site]. Available at: https://minenergo.gov.ru/node/1026 (accessed 20 September 2017). (in Russian) Хлякина М. Г., Панов Ю. Б. Концентрация ртути в некоторых угольных пластах Донецко-Макеевского района Донбасса // Сборник докладов ДонНТУ, 2003. - С. 55-64. Khlyakina M. G., Panov Yu.B. Kontsentratsiya rtuti v nekotorykh ugol’nykh plastakh Donetsko-Makeevskogo rayona Donbassa [Concentration of mercury in some coal seams of Donetsko-Makeevsky district of Donbass]. Sbornik dokladov DonNTU [Collection of reports of DonNTU]. 2003, pp. 55-64. (in Russian) Содержание токсичных элементов во вскрышных и вмещающих породах угольных месторождений Кемеровской области / Журавлева Н. В., Иваныкина О. В., Исмагилов З. Р. и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2015. - № 3. - С. 187-196. Soderzhanie toksichnykh elementov vo vskryshnykh i vmeshchayushchikh porodakh ugol’nykh mestorozhdeniy Kemerovskoy oblasti [Content of toxic elements in overburden and enclosing rocks of coal deposits in the Kemerovo Region]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten’ (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal) [Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal)]. 2015, I. 3, pp. 187-196. (in Russian) Ценные и токсичные элементы в товарных углях России: Справочник. - М.: Недра, 1996. - 238 с. Tsennye i toksichnye elementy v tovarnykh uglyakh Rossii: Spravochnik [Valuable and toxic elements in commercial coals of Russia]. Moscow, Nedra Publ., 1996. 238 p. (in Russian) Arctic Council Action Plan to Eliminate Pollution of the Arctic (ACAP) [Электронный ресурс] / Assessment of mercury releases from the Russian Federation, Russian Federal Service for Environmental, Technological and Atomic Supervision & Danish Environmental Protection Agency, Danish EPA, Copenhagen, 2005. - URL: http:// www.mst.dk (дата обращения: 05.01.2017) Arctic Council Action Plan to Eliminate Pollution of the Arctic (ACAP) [Elektronnyy resurs] / Assessment of mercury releases from the Russian Federation, Russian Federal Service for Environmental, Technological and Atomic Supervision & Danish Environmental Protection Agency, Danish EPA, Copenhagen, 2005. - URL: http:// www.mst.dk (data obrashcheniya: 05.01.2017) Маликова И. Н., Аношин Г. Н., Бадмаева Ж. О. Подвижные формы ртути в почвах природных и природнотехногенных ландшафтов // Геология и геофизика. - 2011. - Т. 52. - № . 3. - С. 409-425. Malikova I. N., Anoshin G. N., Badmaeva Zh.O. Podvizhnye formy rtuti v pochvakh prirodnykh i prirodnotekhnogennykh landshaftov [Movable forms of mercury in soils of natural and natural-technogenic landscapes]. Geologiya i geofizika [Geology and geophysics]. 2011, V. 52, I. 3, pp. 409-425. (in Russian) Bloom N. S., Preus E., Katon J. et al. Selective extractions to biogeochemically relevant fractionation of inorganic mercury in sediment and soils // AnalyticaChimicaActa. - 2003. - V.479. - № 2. - P. 233-248. Bloom N. S., Preus E., Katon J. et al. Selective extractions to biogeochemically relevant fractionation of inorganic mercury in sediment and soils // AnalyticaChimicaActa. - 2003. - V.479. - № 2. - P. 233-248. Ketris M. P., Yudovich Ya.E. Estimations of Clarkes for carbonaceous biolithes: world average for trace element contents in black shales and coals // International Journal of Coal Geology. - 2009 - V. 78. - P. 135-148. Ketris M. P., Yudovich Ya.E. Estimations of Clarkes for carbonaceous biolithes: world average for trace element contents in black shales and coals // International Journal of Coal Geology. - 2009 - V. 78. - P. 135-148. Grigorev N. A. Average concentrations of chemical elements in rocks of the upper continental crust // Geochemistry International. - 2003. - V. 41. - № 7. - P. 711-718. Grigorev N. A. Average concentrations of chemical elements in rocks of the upper continental crust // Geochemistry International. - 2003. - V. 41. - I. 7. - P. 711-718. Беус А. А. и др. Геохимия окружающей среды. - М.: Недра, 1976. - 248 с. Beus A. A. Geokhimiya okruzhayushchey sredy [Geochemistry of the environment]. Moscow, Nedra Publ., 1976. 248 p. (in Russian) Осипова Н. А., Перегудина Е. В., Язиков Е. Г. Химические элементы в почвах г. Междуреченска // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 1. - C. 1840-1848. Osipova N. A., Peregudina E. V., Yazikov E. G. Khimicheskie elementy v pochvakh g. Mezhdurechenska [Chemical elements in soils of Mezhdurechensk]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya [Modern problems of science and education]. 2015, I. 1, pp. 1840-1848. (in Russian) Осипова Н. А. Влияние угледобывающих предприятий на загрязнение снегового покрова прилегающих урбанизированных территорий (на примере г. Междуреченск) [Электронный ресурс] / Н. А. Осипова, А. А. Быков, А. В. Таловская и др. // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2017. - Т. 328, № 12. - С. 36-46. Osipova N. A. Vliyanie ugledobyvayushchikh predpriyatiy na zagryaznenie snegovogo pokrova prilegayushchikh urbanizirovannykh territoriy (na primere g. Mezhdurechensk) [Influence of coal-mining enterprises on pollution of snow cover of adjacent urbanized territories (on the example of Mezhdurechensk)]. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Engineering georesources]. 2017, V. 328, I. 12, pp. 36-46. (in Russian) Гордеева О. Н., Белоголова Г. А., Рязанцева О. С. Формы нахождения ртути в почвах природно-техногенных ландшафтов Приангарья [Электронный ресурс] // Современные проблемы геохимии: материалы конф. молодых ученых 12-17 сентября 2011 г. - Иркутск: Институт геохимии СО РАН. - Режим доступа: http:// www.igc.irk.ru/Molod-konf/offline-2011/youngconf-2011/ru/reportview/49348.html) Gordeeva O. N., Belogolova G. A., Ryazantseva O. S. Formy nakhozhdeniya rtuti v pochvakh prirodno-tekhnogennykh landshaftov Priangar’ya [Forms of finding mercury in soils of natural-technogenic landscapes of the Angara region]. Sovremennye problemy geokhimii: materialy konf. molodykh uchenykh 12-17 sentyabrya 2011 g. [Contemporary problems of geochemistry: materials of conf. Young Scientists September 12-17, 2011]. Irkutsk: Institut geokhimii SO RAN Publ. Available at: http://www.igc.irk.ru/Molod-konf/offline-2011/ youngconf-2011/ru/reportview/49348.html). (in Russian)