Экспериментальные и аналитические исследования форм переноса и межфазного распределения компонентов в геохимических системах (2016 – 2020 гг.)НИР

Experimental and analitical research of forms components transfer and interphase distribution in geochemical systems

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Экспериментальные и аналитические исследования форм переноса и межфазного распределения компонентов в геохимических системах (этап 2016 г.)
Результаты этапа: Работы велись по четырем генеральным направлениям (и нескольким поисковым темам): 1. Экспериментальные исследования форм переноса рудных металлов в гидротермальных флюидах. 2. Исследования форм газовой и водной миграции валентных форм ртути, бора и ряда тяжелых металлов, закономерностей их распределения между жидкостью и газом в термах и водах, изучение механизмов формирования состава флюидных фаз. 3. Изучение совместной растворимости породообразующих алюмосиликатов. 4. Изучение процессов мобилизации и адсорбции - десорбции химических элементов макро- и микро- состава горных пород и почв под воздействием растворенного органического вещества природных вод. Результаты: 1. Публикация новых данных по фторидным и хлоридным комплексам рудных и редкоземельных элементов. Данные будут использованы для выявления критериев генезиса рудных месторождений. 2. Обобщение данных по миграции ртути, основным валентным формам ее нахождения и их свойствам. 3. Сделана оценка влияния РОВ на переход макрокомпонентов и микроэлементов в раствор. 4. Получены характеристики перехода в раствор компонентов солевого состава и кремния породообразующих силикатных минералов в различных сочетаниях, определены факторы, контролирующие их совместную растворимость.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Экспериментальные и аналитические исследования форм переноса и межфазного распределения компонентов в геохимических системах
Результаты этапа: Работы велись по 4 генеральным направлениям (и трем поисковым темам): 1. Экспериментальные исследования форм переноса при гидротермальных параметрах состояния. 2. Экспериментальное моделирование взаимодействия вод с минеральными поверхностями и взаимодействия вод различного генезиса. 3. Экспериментальное развитие новых методов разделения взвесей на размерные фракции методами фильтрации сформированных гелей и диализа, и методов биогеохимической индикации загрязнений. 4. Исследования и работы по усовершенствованию методик подготовки проб при определениях микроэлементного состава геохимических объектов и изучению транспортных процессов, особенно при развитии новых методов выделения узких фракций коллоидной размерности. Результаты: 1. Публикация новых данных по этим направлениям содержится в 42 статьях, результаты доложены в 30 докладах на 17 совещаниях. 2. Обобщены данные по миграции ртути, ее основным валентным формам и их нахождению в природе, продолжаются исследования фторидных комплексов металлов в гидротермальных условиях. 3. Для ряда регионов сделаны новые оценки влияния на переход макрокомпонентов и микроэлементов в раствор при взаимодействии с минеральными поверхностями и коллоидными дисперсиями. 4. Заложены научные основы коллоидной геохимии природных вод с количественными определениями микроэлементного состава узких фракций и полными характеристиками размерных фракций в отношении особенностей микроэлементного состава и корреляций с компонентами основного состава, определены факторы, контролирующие их совместную миграцию. 5. Выполнены исследования эколого-геохимической направленности для создания технологий иммобилизации приоритетных загрязнителей природных вод.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Экспериментальные и аналитические исследования форм переноса и межфазного распределения компонентов в геохимических системах
Результаты этапа: 1.а) Развитие теоретических основ и экспериментальных оснований количественной гидрогеохимии микроэлементов в водах континентального стока при непрерывной фильтрации через гель-фазу формирующегося осадка. По сетям опробования 2017 и 2018 гг. методами получения узких размерных фракций, в первую очередь, фракций коллоидов, выделены взвеси водоемов и водотоков и проанализирован микроэлементный состав методом ИСП-МС. На основе этих результатов развиты теоретические и экспериментальные основы изучения фракций коллоидной размерности. Экспериментальное развитие новых методов разделения на узкие размерные фракции и метода непрерывной фильтрации с анализом выделенных гелей и осадков выполнено для латеритных кор Гвинеи. 1.б) Эксперименты по изучению сорбционных свойств донных осадков и взвесей Иваньковского водохранилища в отношении широкого круга микроэлементов, сравнительный анализ свойств донных осадков и взвесей в отношении поступающих с загрязненными поверхностными водами микроэлементов. Определена миграционная подвижность большого числа микроэлементов в системе вода-взвесь-донные осадки. Построены ряды миграционной подвижности элементов в вариантах десорбции и адсорбции. Для изучения процессов, происходящих при медленной фильтрации природных вод, контаминированных микроэлементами, проведена серия динамических экспериментов по фильтрации. Экспериментальные приемы и подходы при проведении опытов аналогичны тем, что используются нами при хроматографическом разделении на колонках с обработкой результатов методом выходных концентрационных кривых. Расчет интегральных коэффициентов задержки элементов в донных отложениях и взвесях позволил сравнить адсорбционно-десорбционные последовательности широкого набора микроэлементов. По первому разделу темы опубликовано 5 статей и 2 сданы в печать. 2. Экспериментальное моделирование трансформации микроэлементного состава вод при взаимодействии с морской водой: а) рек вулканических районов; 2б) при определения сорбционно-десорбционного баланса в поглощенном комплексе взвешенных наносов материкового стока на геохимическом барьере река – море. а) Экспериментально изучено связывания микроэлементов с осадками гидроксидов Fe и Al в процессе смешения с водой кислых вулканогенных рек и б) сделана оценка изменения состава стока веществ при сорбционно-десорбционных процессах, при изменении состава взвесей и при взаимодействии с морской водой. По этому разделу темы опубликовано 6 статей. 3. Экспериментальное развитие новых методов выделения узких размерных фракций и методов фильтрации с выделением гелей и осадков с индикацией микроэлементного состава в донных осадках и в корах выветривания позволяют на единой методической основе сравнивать фракции коллоидной размерности вод и донных отложений. Проведены эксперименты и обоснованы результаты нового подхода, проведено сравнение с полученными при выделении из водных проб размерных фракций методами диализа и гель-фильтрования. Опубликованы 3 статьи, 2 тезисов, и подготовлена патентная заявка и статья на новый способ исследования коллоидов. 4. Изучение иммобилизации алюминия и фтора на доломитовом геохимическом барьере. Получены количественные характеристики осаждения гидроксида алюминия при нейтрализации кислых растворов карбонатом кальция и соосаждения фтора с Mg(OH)2 (бруситом), образующимся в результате взаимодействия доломита со щелочными известковыми растворами. Выполнена оценка эффективности использования искусственных геохимических барьеров на основе карбонатных пород для предотвращения загрязнения окружающей среды алюминием, поступающим с кислыми водами. Обоснована возможности глубокой очистки от фтора щелочных сточных вод предприятий угольной теплоэнергетики на доломитовом геохимическом барьере и определены параметры, при которых достигается оптимальная остаточная концентрация фторидов в растворе. По этому разделу темы опубликованы 2 статьи и 2 сданы в печать. 5. Экспериментальное изучение фракционирования растворимых солей при ветровой эрозии почвенного покрова. Экспериментально изучено химическое разделения растворимых солей при изменениях состава гранулометрических фракций почв для аридных областей и установлены факторы, влияющие на этот процесс. Определены коэффициенты фракционирования главных катионов и анионов при засолении территорий. Опубликована 1 статья и 1 тезисы. 6. а) Развитие новых методик исследования геохимических процессов при определениях состава методами ИСП-МС, ААС и АЭС. Развиты новые методики анализа образцов геологических сред (горные породы, природные воды, донные отложения), а также в экспериментальных системах при изучении распределения компонентов между сосуществующими фазами. Развиты методики аналитического определения золота, серебра, платиноидов путем выделения их на носителях с последующим анализом методом ИСП-МС. В течение отчетного периода были разработаны, апробированы и внедрены новые методики подготовки геологических проб различного состава для определения элементов-примесей методом ИСП-МС. Было показано, что общепринятый в мировой практике метод кислотного разложения твердых образцов не всегда является эффективным как для полноценного перевода твердого вещества в раствор, так и экстракции некоторых проблемных элементов в раствор (например, Zr, Hf, Nb, Ta) из средних и кислых магматических пород. Перевод в раствор пород с присутствием органического вещества требует при кислотном разложении использования хлорной кислоты, которое, однако, не обеспечивает полного растворения органики. Коллективом авторов была разработана методика спекания образцов с содой. Апробирование разработанной методики показало, что при спекании с содой органическая составляющая полностью озоляется, и при этом достигается полное разложение образцов. Также разработанная методика эффективно экстрагирует проблемные элементы в раствор. Подробное обсуждение и сравнение методик приводится в публикациях (1 статья и 2 тезисов, сделано 2 устных доклада). Работы, запланированные для экспериментальных систем, не были выполнены в силу того, что в феврале произошла поломка прибора, с помощью которого должны были осуществляться измерения. Предполагалось при участии квалифицированных специалистов развивать методики аналитического определения золота, серебра, платиноидов путем выделения их на теллуре с последующим анализом содержаний методами ИСП – МС и ААС. Учитывая невозможность трудоустройства квалифицированных специалистов в лабораторию экспериментальной геохимии (не была реализована имеющаяся вакансия), а также невозможность приобретения дорогостоящей платы для ремонта масс-спектрометра Element-2, этот запланированный раздел выполнен не был. 6. б) Экспериментальные исследования адсорбционных равновесий «ртуть (II) - сорбент». В качестве сорбентов были взяты бентонит в качестве природного сорбента и ПСТМ-3Т в качестве искусственного сорбента для очистки потенциальных сточных вод от ионов ртути. Анализ экспериментальных изотерм адсорбции проведён с помощью уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха для идентификации валентных форм ртути. Опубликованы 2 статьи и сделаны доклады на 2-х конференциях. 6. в) Мониторинговые исследования содержания ртути и ее валентных форм в воздухе в условиях крупных городов осуществлены с целью определения относительной роли фазовых переходов и адсорбции при изменении ее концентрации в атмосфере. Проведено сравнение результатов, полученных путём прямых прокачек с помощью приборов AAS-анализа: УКР-1МЦ и РА-915М с целью дифференциального определения содержаний валентных форм ртути и природы вариаций валовых содержаний. 7. Исследование крайних дифференциатов расслоенных интрузивов базит-гипербазитов как источника сырья редких и рассеянных элементов. Проведен сравнительный анализ формирования первичной континентальной коры и KREEP-компоненты в лунных породах, как аналога дифференциатов базитовых расплавов. Получена и исследована зависимость распределения редкоземельных элементов от степени фракционирования магматического базальтового расплава. Показано, что в базальтовых расплавах они являются некогерентными элементами и накапливаются в остаточном расплаве. Изучены породы верхней приконтактовой зоны Киваккского расслоенного базит-гипербазитового интрузива (Сев. Карелия), представленные специфическими для общего разреза массива лейкократовыми участками. Показано, что состав этих участков отличается от вмещающих габбро-норитов высоким содержанием редкоземельных элементов, а также фосфора и калия, что позволяет классифицировать их как KREEP (аббревиатура по элементам с повышенной концентрацией K, REE, P), то есть породы, по аналогии с лунными базальтами. Моделирование кристаллизации материнской магмы для Киваккского массива показало, что такие составы не могут отвечать крайним дифференциатам базальтовой магмы. По этому разделу темы (включая раздел 6 а) опубликованы 8 статей и 8 тезисов докладов. 8. Конструирование, разработка и изготовление инновационной установки для исследования фазовых равновесий при высоких T -P-параметрах систем жидкость-газ и жидкость-жидкость, при изучении форм переноса рудных элементов, растворимости и распределения компонентов между фазами гидротермальных систем. При испытаниях 2018 г. проведено опробование установки в разных режимах с сапфировым реактором объемом 12 см3 с возможностью регулирования T, p и состава системы. Прозрачный реактор позволяет выполнять визуальный контроль положения фазовых границ сосуществующих фаз непосредственно при проведении эксперимента, демонстрируя хорошую работоспособность. Предусмотренные системы отбора проб сосуществующих фаз непосредственно во время проведения эксперимента также продемонстрировали хорошую работоспособность, но установка требует дальнейшей доработки, устранение выявленных недостатков на этапе пилотных опытов.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Экспериментальные и аналитические исследования форм переноса и межфазного распределения компонентов в геохимических системах
Результаты этапа: Выполнены работы по следующим направлениям: 1.Развиты экспериментальные и теоретические основы количественной геохимии микроэлементов в водах континентального стока экспериментальными методами сравнения составов фракций коллоидной размерности при фильтровании. Расчет интегральных коэффициентов задержки и накопления элементов в донных отложениях и влекомых взвесях позволил детально изучить адсорбционно-десорбционные ряды и молекулярно-массовые распределения по фракциям коллоидной размерностей, а также и доли истинно растворенных микроэлементов для контрастных гидрохимических и гидрологических обстановок. 2. Экспериментально определены сорбционно-десорбционные балансы катионов основного солевого состава и тяжелых металлов в поглощенном комплексе взвешенных наносов материкового стока при их взаимодействии с морской водой. Установлено, что 0.72, 0.13 и 0.15 мг-экв,, соответственно для Na+, K+ и Mg2+, по-видимому, могут считаться фундаментальной характеристикой заключительного этапа химической трансформации материкового стока твердых веществ в устьевых областях рек. Тяжелые металлы по степени десорбции при контакте речных взвесей с морской водой располагаются в закономерный ряд: Mn > Co > Ni > Cd > Cu. 3. Экспериментально определена растворимость флюорита и фторапатита в пресных водах (реки Лена, Протва, Кубань, Волга, Можайское водохранилище, грунтовая вода из дер. Бочевино, МО). Концентрация фтора в поверхностных водах, находящихся в равновесии с флюоритом и фторапатитом, составляет, соответственно 4.4 и 0.3 мг F/л. Согласно нашим данным, пресные поверхностные воды сильно недосыщены в отношении флюорита и слабо недосыщены в отношении фторапатита. Сделан вывод, что оба минерала (особенно флюорит) неустойчивы в процессах выветривания при формировании речного стока, служат источниками фтора. 4. Для установления общих закономерностей и различий в спектрах распределения РЗЭ в водах севера и юга бореальной климатической зоны Европейской части России были выбраны регионы со схожими климатическими и ландшафтными условиями, близкими по литохимическим составам почвообразующих пород. Во всех случаях это породы Фенноскандии, но прошедшие различные геохимические преобразования. Впервые определены содержания редкоземельных элементов одновременно и в поверхностных водах, и в донных осадках водоемов Сев. Карелии и Тверской областей с применением метода – масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС). Получена возможность и способ сравнивать уровни выветривания (через степени протекания гетерофазных химических реакций с анализом различий в спектрах редкоземельных элементов). 5. Проведены экспериментальные исследования устойчивости фторидных комплексов циркония и гафния. Для циркония обнаружен фторидный комплекс ZrF62- и определены константы его устойчивости при 90, 155, 205, 255 °С и давлении насыщенного пара воды. Термодинамические расчеты показали, что этот комплекс преобладает при концентрации фторида в растворе выше 0.001 m и в равновесии с гранитом, обеспечивает перенос циркония при температуре выше 300 °С, что объясняет перекристаллизацию циркона в гидротермальных условиях. Для гафния обнаруженная схема комплексообразоования с фтором, аналогичная цирконию. Выявлены комплексы HfF(OH)3°(aq), HfF2(OH)2°(aq), HfF62- и определены константы их устойчивости при 100, 150, 205, 240 °С и давлении насыщенного пара воды. Термодинамические расчеты показали, что для условий вольфрамитового месторождения Спокойнинское ZrF62- и HfF62- являются преобладающими формами переноса циркония и гафния при температуре 300-500°С. 6. Выполнены исследования адсорбционных равновесий в системах с различными (0, I и II) валентными состояниями и детализирована информация о полном геохимическом цикле ртути. Изучено распределение фосфора в системе жидкость-газ для современных гидротермальных систем Камчатки, что дало новую информацию о его мало изученных валентных состояния в газовой фазе природных двухфазных флюидов. 7. С использование различных методик пробоподготовки донных отложений на шести эталонных образцах показано, что разработанная в лаборатории методика спекания с последующим кислотным разложением является наиболее эффективной для определения пороговых концентраций микропримесей в донных отложениях на квадрупольных масс-спектрометрах. По результатам исследований подготовлена и сдана в редакцию статья в Вестник Московского университета. 8. На примере крупнейшей в мире бокситоносной провинции Фута Джалон-Мандинго показана определяющая роль газового режима CO2 при смене физико-химических обстановок и образовании вертикальной зональности в латеритных корах выветривания при сезонных эволюциях состава подземной атмосферы с мобилизацией и перераспределением микро- и макрокомпонентов (Fe, Al, Si) в латеритных корах выветривания.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Экспериментальные и аналитические исследования форм переноса и межфазного распределения компонентов в геохимических системах
Результаты этапа: 1.Развиты экспериментальные и теоретические основы количественной геохимии микроэлементов в водах континентального стока методами сравнения составов фракций коллоидной размерности. Расчет интегральных коэффициентов задержки и накопления элементов в донных отложениях и взвесях позволяет детально изучать адсорбционно-десорбционные последовательности для элементов в контрастных гидрохимических обстановках. 2.Выполнены исследования адсорбционных равновесий в системах с различными (0, I и II) валентными состояниями и детализирована информация о полном геохимическом цикле ртути. 3. Экспериментально изучены закономерности иммобилизации алюминия и фтора на геохимических барьерах нескольких типов, в том числе, для смешения морских и речных вод. 4. Проведено конструирование, разработка и изготовление инновационной установки для исследования фазовых равновесий при высоких T и P. Такая установка способна решать задачи экспериментальной геохимии при исследованиях систем жидкость-газ-минеральные фазы и жидкость-жидкость, при изучении форм переноса рудных элементов, растворимости и распределения компонентов в фазах гидротермальных систем, в том числе, при исследованиях системы водные растворы - нефть. 5. Развиты методики аналитического определения золота, серебра и платиноидов путем выделения их на теллуре с последующим анализом содержаний методами ИСП – МС и атомной абсорбции.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
2. part5_1b.pdf part5_1b.pdf 2,3 МБ 5 декабря 2019 [alekhin]
3. project_report_gost_2.pdf project_report_gost_2.pdf 57,2 КБ 28 декабря 2020 [alekhin]