Natural Sciences and Humanities Series / 2022 year / Issue 2

Статья посвящена 85-летнему юбилею профессора Виктора Николаевича Макарова. Приведен краткий обзор его жизни и научной деятельности в области геологии, геоэкологии и строительного материаловедения.

Представлены результаты многолетнего научного сотрудничества двух институтов Кольского научного центра РАН — Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева (ИХТРЭМС КНЦ РАН) и Института проблем промышленной экологии Севера (ИППЭС КНЦ РАН) с Институтом проблем комплексного освоения недр РАН (ИПКОН РАН). Совместные работы начались 25 лет назад под руководством д. т. н. Виктора Николаевича Макарова (ИХТРЭМС КНЦ РАН) и академика Валентина Алексеевича Чантурия (ИПКОН РАН), позднее в них стали принимать участие сотрудники ИППЭС КНЦ РАН под руководством д. т. н. Владимира Алексеевича Маслобоева. В результате совместной деятельности созданы научные основы снижения экологической опасности горнопромышленных отходов и ряд технологий их утилизации. В настоящее время исследования продолжаются.

Исследована возможность получения эффективных теплоизоляционных материалов с улучшенными техническими характеристиками на основе промышленных отходов, характерных для регионов Крайнего Севера. Рассмотрено влияние модифицирующих добавок на физико-технические свойства пеносиликатных материалов. Предложены составы и технологические режимы получения пеноматериалов теплоизоляционного назначения.

Статья посвящена разработке неформованных материалов из техногенного сырья. Наибольшей популярностью пользуются огнеупорные бетоны, состоящие из заполнителя, вяжущего и добавок, твердеющие при нормальных условиях и имеющие ограниченную усадку при температуре применения. Они были получены из отходов Ковдорского горно-обогатительного комбината с использованием магнийфосфатного цемента. В результате исследований подобран зерновой состав шихты, установлено соотношение заполнителя и вяжущего для улучшения структурных свойств бетона, определено влияние состава и температуры термической обработки бетонов на физико-технические свойства. Замена традиционных обжиговых огнеупоров безобжиговыми изделиями позволяет ускорить строительство и ремонт тепловых агрегатов, принимать принципиально новые технические решения при разработке конструкций печей и приводит к повышению их эксплуатационных характеристик. Утилизация подобных отходов приведет к качественно новому использованию невозобновляемых природных ресурсов, ликвидации источников загрязнения окружающей среды, рекультивации занимаемых отходами земель.

Привлечение к переработке новых источников титанового сырья в виде техногенных отходов действующих горно-обогатительных производств является важной задачей, решение которой позволит повысить полноту использования природных ресурсов и получить при этом дефицитную продукцию функционального назначения. Проведенные исследования показали возможность использования чернового сфенового концентрата в качестве наполнителя строительных материалов и адсорбента для очистки жидких стоков путем изменения оптических и морфологических свойств измельченного концентрата.

Приведены результаты изучения вяжущих свойств механоактивированной композиции, включающей золу Апатитской ТЭЦ с повышенным содержанием кальция, кальцитовый концентрат, полученный из апатит-карбонатитовых руд Ковдорского месторождения, и природный гипсовый камень. Установлено, что данная композиция, в зависимости от соотношения компонентов и условий твердения, проявляет свойства как гидравлического вяжущего, подобного известково-зольному, так и вяжущего воздушного твердения, сходного с гипсовым.

Изучено влияние кремнеземсодержащих добавок, полученных при выщелачивании отвального магнезиально-железистого шлака медно-никелевого производства, на прочностные свойства легкого бетона на пористом заполнителе. Установлено, что введение в состав бетонов добавок SiO2 в количестве 0,5–2,0 мас. % повышает прочность бетона в проектном возрасте на 15–40 % по сравнению с бездобавочным составом. Добавки также увеличивают удельную прочность бетона до 38–40 МПа, что позволяет отнести разрабатываемые бетоны к классу высокопрочных (Rуд ≥ 25 МПа).

Методом твердофазного синтеза получены образцы Mg-Al СДГ состава Mg4Al2(OH)12·CO3·3,85H2O. Установлено, что в результате термообработки с последующей регидратацией синтезированные образцы Mg-Al СДГ восстанавливаются до состава Mg4Al2(OH)12·CO3·3H2O независимо от среды и продолжительности обработки. Показано, что регидратация в растворах NaHCO3 способствует увеличению размеров кристаллитов восстанавливаемых образцов Mg-Al СДГ, чего не наблюдается при восстановлении Mg-Al СДГ в водной среде. Увеличение продолжительности регидратации в растворах NaHCO3 приводит к росту кристаллитов восстанавливаемых Mg-Al СДГ, чего не наблюдается при регидратации в водной среде.

Проведен сравнительный анализ состава и свойств титаносиликатных порошков, полученных с использованием техногенного сырья либо являющихся отходами производства, изучено их влияние на свойства цементных композиций. Показано, что эффективность действия нанодисперсных титаносиликатных порошков зависит от их удельной поверхности, фазового состава и от способа введения наноразмерных добавок в объем цементной матрицы. Несмотря на различия, наблюдаемые в химическом и фазовом составе, удельной поверхности, морфологии, они все проявляют фотокаталитическую активность в реакции разложения метиленового синего и самоочищающиеся и бактерицидные свойства в составе цементной матрицы, ускоряет гидратацию, способствует увеличению прочности вяжущего.

Синтезированы и изучены методами химического, рентгенофазового, БЭТ- и BJH-анализов образцы композиционных цирконий-титан-кремнеземсодержащих сорбентов. Показано, что все полученные образцы кремнеземсодержащих Zr-Ti-SiO2 сорбентов являются мезопористыми, при этом поры имеют преимущественно клиновидную форму с открытыми концами. Установлено, что модификация полученных образцов в Н+-форму оказывает меньшее влияние на их сорбционную емкость, чем их перевод в Na+-форму, не зависит от содержания в них SiO2 в интервале 10–30 % и уменьшается в ряду Cu2+-Cs+-Co2+-Sr2+.

Представлены результаты эксперимента по осаждению цинка из сульфатных растворов щелочными реагентами (серпентинитомагнезит и оксид кальция). Методами рентгенофазового и микроморфологического анализов, а также термодинамического моделирования показано образование устойчивой метастабильной силикатной цинксодержащей фазы при использовании в качестве реагента метасерпентина. При использовании в качестве реагента оксида кальция осаждается цинкит.

Приведен краткий обзор сотрудничества Института проблем промышленной экологии Севера и Института химии технологии редкоземельных элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева, и опубликованы результаты исследований по разработке способов получения мелиорантов и применения их в зонах воздействия горно-металлургических предприятий для снижения отрицательных экологических последствий.

Выявлены модельные особенности переуплотнения грунтов ограждающей дамбы и намывных отложений в хвостохранилище. Выявлены модельные закономерности изменения гидрогеомеханического состояния дамбы, определяющие ее механическую и фильтрационную устойчивость. Кроме того, установлено, что при неблагоприятном сочетании параметров грунтов ограждающей дамбы стационарная фильтрация может трансформироваться в гидродинамику водотока и размыв дамбы.

Выбор оптимального расположения трасс на болотном массиве основан на применении ландшафтно-гидрологического подхода, предусматривающего оценку прочностных характеристик в различных типах болотных микроландшафтов. В работе приводятся прочностные характеристики залежи в зависимости от гидрологического режима олиготрофных болот. Генетическая классификация болот согласована с отраслевой инженерной классификацией торфяных оснований, согласно которой болота распределяются по характеру передвижения по ним строительной техники. Выбор трассы на мерзлом плоскобугристо-топяном болоте производился с применением квадрокоптера DJI Phantom 3, программ DJI Go (для управления процессом съемки) и Agisoft Photoscan (для обработки полученных материалов). Применение данного аппаратно-программного комплекса позволяет построить цифровую модель рельефа болота, а также ортофотоплан местности и в соответствии с видом болотного ландшафта выбрать оптимальную трассу передвижения технических средств, согласовав ее с несущей способностью болота.

Установлено изменение содержания фенольных соединений и лигнина в хвое/листьях шести видов растений, произрастающих в еловых и сосновых лесах Кольского полуострова, в том числе подверженных промышленному воздушному загрязнению (Cu, Ni) различной степени интенсивности. Полученные результаты свидетельствуют о том, что реакция на промышленное загрязнение в значительной степени зависит от вида растения и места произрастания. Одни виды растений адаптируются к повышенным антропогенным нагрузкам за счет повышения концентраций фенольных соединений и лигнина, другие, наоборот, снижают эти показатели. Такие изменения в многолетних органах растений (хвое/листьях) могут привести к изменению скорости разложения их опада, что может повлиять на функционирование экосистем, например, замедлить биогеохимические циклы элементов питания. Очень перспективным выглядит биохимический мониторинг вечнозеленого кустарничка водяники Empetrum hermaphroditum из-за его устойчивости к загрязнению и однозначной реакции на него как в еловых, так и в сосновых лесах.

В дополнение к имеющимся данным по дифференциации флоры гольцовых пустынь и горных тундр Хибинских и Ловозерских гор синтаксономический анализ растительности с использованием NMS-ординации также показал различие между поясами и дал возможность разграничить кустарничковые и лишайниковые сообщества и травяные и мелкотравно-моховые приснеговые сообщества в пределах горных тундр.