В работе для закрепления и мелиорации засоленных песчаных грунтов была использована композиция ацетонформальдегидной смолы (АФС) с глобулярным белком - серицином (СР), который был выделен в виде отхода при размотке кокона натурального шелка, в присутствии неорганических солей.

Опыты пескозакрепления проводили непосредственно путем нанесения композиции АФС на поверхность модельных систем засоленных песчаных грунтов. Для приготовления этой модели использован барханный песок, который после промывки и просева через сито 0,125 см был тщательно перемешан с растворами солей. После сушки образцов содержание солей в грунтах составляло около 2%., что является удовлетворительным для прорастания растений. Средняя толщина закрепленного слоя грунта составляла 0,1 см.

Закрепленный посредством композиции АФС и СР засоленный песчаный грунт характеризуется определенной прочностью. Его устойчивость к внешним нагрузкам сильно зависит от концентрации воды в исходной композиции. Увеличение количества воды в композиции приводит к снижению прочности закрепленного слоя грунта. Однако снижение прочности закрепителя заметно нивелируется в присутствии смеси солей в грунтах. В целом выявленные прочностные характеристики этих образцов удовлетворяют требованиям к закрепителям песчаных грунтов.

Для анализа эффективности мелиоративного действия композиции АФС с СР авторы проводили сравнительное исследование прорастания пшеницы. Негативное влияние неорганических солей на динамику всхожести семян пшеницы обнаружено в отсутствии СР в композиции. Однако, данный отрицательный эффект не только устраняется в присутствии СР, но и приводит к получению положительных результатов, свидетельствующих о биоактивном действии данной композиции. Это в определенной степени повышает эффективность пескозакрепителя - биокомпозиции АФС при выполнении его функции мелиората грунта.

2.2 Использование интерполимерных комплексов для предотвращения пылевой миграции радионуклидов на территории Семипалатинского полигона

Основными источниками радиоактивного загрязнения окружающей среды Семипалатинского испытательного полигона (СИП) явились ядерные испытания. Радионуклиды, образовавшиеся при ядерных взрывах за весь период испытаний, выпали на территорию СИП и за его пределами. В настоящее время основными механизмами миграции радионуклидов в окружающей среде являются ветровой и водный перенос. В условиях (СИП) оба вида радионуклидного переноса являются взаимодополняющими. Так, на территории бывшей испытательной площадки «Дегелен» наблюдаются водопроявления - приштольневые ручьи, несущие в своих водах большое количество радионуклидов. Многие из этих ручьев пересыхают в летний период, оставляя при этом переносимые водой радионуклиды в поверхностных слоях почвы своих русел, что способствует увеличению распространения радионуклидов по территории региона посредством пылевого переноса. При возобновлении же водотока радиоактивные элементы, находящиеся в поверхностных слоях почвы русел ручьев, вновь вовлекаются в движение воды и, вместе с выносимыми из штолен радионуклидами, переносятся уже на более значительные расстояния.

Кроме того, наличие водопритока благоприятно сказывается на развитии растительности, особенно на низменных территориях. Таким образом, наличие радиоактивного загрязнения (причем не только в воде, но, как следствие этого, и на местности, где пролегают русла водотоков) может повлечь за собой, с большой долей вероятности, проникновение радионуклидов в пищевую цепочку «вода (почва) - растения - животные - человек».

Механизмы ветрового переноса и пылеобразования: Механизм ветрового пылеобразования заключается в следующем [ Махонько К.П. Возникновение ветрового переноса пыли над подстилающей поверхностью. Обнинск: Изд. ГМЦ СССР. - 1968. - с 49.]: при небольшой скорости ветра (2-3 м/с) наиболее мелкие радиоактивные частицы пыли поднимаются с поверхности почвы в результате стохастического прорыва турбулентных вихрей к поверхности земли. При указанной скорости ветра эта пыль не оседает под действием силы тяжести, размеры таких пылевых частиц в основном составляют сотые и десятые доли микрометра, достигая 1-2 мкм. Более крупные частицы радиоактивной пыли слишком тяжелы, чтобы долго удерживаться в воздухе, они поднимаются турбулентными вихрями в воздух и снова оседают, передвигаясь в ветровом потоке скачкообразно. Это так называемый эффект сальтации. Сальтация является основным механизмом пылеобразования при увеличении скорости ветра до значений, при которых начинается ветровая эрозия. Размеры пылевых частиц при этом возрастают до 100 мкм. При падении частицы иногда рикошетируют от поверхности почвы, повторяя свой прыжок, или же передают свой импульс другим частицам, которые начинают в свою очередь подскакивать и перекатываться. При большой скорости ветра катящиеся частицы, сталкиваясь с более крупными, выступающими над поверхностью, могут в благоприятном случае получить сильный направленный вверх импульс и начать подскакивать. Если сравнительно крупные частицы при движении по поверхности земли наталкиваются на частицы более мелкой фракции, то это вызывает вовлечение в процесс дефляции практически всех последних. Таким образом, процесс переноса пыли ветром при эрозии почвы носит цепной характер.

Воспрепятствовать процессу вторичного загрязнения территории СИП и прилегающих к нему районов можно несколькими способами. Один из них заключается в снятии верхнего слоя почвы и вывозом его за пределы региона для захоронения, как в свое время это было сделано в Японии после аварии на ядерном реакторе. Но этот способ неприемлем в случае СИП, в связи с очень большой площадью, подлежащей обработке. В этом случае для предотвращения вторичного загрязнения обработанных территории необходимо одновременно снимать слой почвы практически по всей территории полигона. Возможность этого представляется маловероятной. Другой способ заключается в обработке зараженных территорий интерполимерными комплексами, как это было сделано на части территории радиоактивных выпадений после аварии на Чернобыльской АЭС. Тогда для осаждения пыли были использованы интерполимерные комплексы, состоящие из гидролизованного полиакрилонитрила (коммерческое название ГИПАН) и полидиметилдиаллиламмоний хлорид (коммерческое название ВПК-402). Суть действия этих и подобных полимеров заключается в том, что это полимерные композиты способны структурировать и агрегировать почву с образованием более крупных частиц. Агрегация происходит в результате образования на поверхности частиц почвы тонких пленок интерполимерных комплексов. При обработке почвы интерполимерными комплексами значительно возрастает доля фракции с диаметром 5 мм и средняя величина эрозии агрегированной почвы уменьшается с 74% до 1% при скорости ветра 15 м/сек.

В настоящее время в Институте радиационной безопасности и экологии НЯЦ РК проводятся лабораторные исследования по изучению возможности управления миграцией радионуклидов в почве с помощью интерполимерных комплексов. В процессе изучения структурирующей и агрегирующей способностей интерполимерных комплексов было установлено, что в случае фракции, размер которых меньше 0,75 мм после заливки полимеров образуется плотная корка (агрегация), толщина которой равна глубине проникновения полимера в пробу. Для фракции, размер которых равен или больше 1 мм отмечается слипание почвенных частиц, в результате чего образуются частицы более крупных фракции, размером до 5 мм (структурирование).

Предварительное опробование гелей полиакриловой кислоты и поливинилового эфира этиленгликоля в полевых условиях на площадке «Опытное поле» показало перспективность их использования для управления процессами миграции радионуклидов в окружающей среде. Различие радиационных параметров на опытных площадках до и после обработки полимерами составляет до нескольких десятков раз. Так, на одной из 16-ти площадок, обработанный комплексом полиакриловая кислота - поливиниловый эфир этиленгликоля, до заливки полимеров наблюдалось 30 в-част/см2*мин, а после обработки уже - 420 в-част/см2*мин.

Особый интерес представляют ИПК с участием нового полимерного бетаина ЭАК/АК, свойства которых изучены в растворах.

Для предотвращения ветровой и водной эрозии радиационно зараженных почв бывшего СИП также были использованы интерполимерные комплексы с участием полиамфолита ЭАК АК - ЭАК АК-ПЭГ и ЭАК/АКПДМДААХ и их индивидуальные компоненты - ЭАК АК, ПДМДААХ и ПЭГ.

Определены оптимальные условия обработки подготовленной для анализа почвы растворами полимеров и их комплексов:

концентрации растворов полимеров и их комплексов;

метод обработки почвы (разбрызгивание или залив);

соотношение полимерных компонентов в комплексах:

рН растворов поликомплексов;

последовательность обработки почвы растворами индивидуальных полимеров или готового комплекса.

Полученные результаты суммировались следующим образом:

Индивидуальные полимеры (ПЭГ, ПДМДААХ и ЭАК/АК) как и комплексы ЭАК АК-ПЭГ и ЭАК АК-ПДМДААХ обнаруживают структурирующий эффект. Так, при обработке почвы раствором полиамфолита ЭАК АК наблюдается увеличение фракции с содержанием частиц диаметром >0,25 мм от 37,3% (контроль) до 51,3%. Заметно увеличение и других фракции (10 мм - до 5,2%, 7мм - до 4,7%, 5 мм - до 1,7% 2 и 1 мм - до 0,3% и 2,7% соответственно), что свидетельствует об агрегировании частиц. Но наилучшие результаты получены при использовании стехиометрического комплекса ЭАК АК: ПЭГ =1:1 при концентрации раствора С=10-2 моль/л, рН=3,0 и методе залива. Наблюдается увеличение фракции с содержанием частиц диаметром >0,25 мм от 37,3% (контроль) до 70,0% (разбрызгивание) и 83,9% (залив).

Обработку почвы следует производить раствором готового полимерного комплекса, а не последовательной обработкой почвы раствором сначала одного, а затем второго.

Наилучшие результаты получены при использовании метода залива.

Лучшие результаты получены при обработке почвы раствором комплекса ЭАК АК-ПЭГ=1:1 при рН=3,0, что очевидно, связано с подавлением диссоциации карбоксильных групп и образованием более устойчивого комплекса. Исследования проводились при разных значениях рН (8,0; 6,0; 4,0; и 3,0).

Аналогичные исследования были проведены и при использовании интерполимерных комплексов ЭАК АК-ПДМДААХ в качестве структурирующих агентов.

Авторы, предполагают, что структурирующий эффект полимерных комплексов связан с тем, что при обработке верхнего слоя почвы, находящегося в воздушно-сухом состоянии, различные участки поликомплекса (гидрофобные и гидрофильные) имеют большое сродство к гидрофобным, положительно и отрицательно заряженным участкам почвенных частиц. Таким образом, структура поликомплекса предопределяет наибольшее слипание почвенных частиц, на поверхности которых образуется тонкая пленка интерполимерного комплекса.