Біоремедіація бокситних залишків із залученням фітоекстракції рідкоземельних елементів
Автор: Хомська Олена Сергіївна
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Фармацевтична біотехнологія
Інститут: Інститут хімії та хімічних технологій
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2021-2022 н.р.
Мова захисту: англійська
Анотація: Бокситові залишки, також звані червоними шламами, нині становлять значні екологічні та соціальні проблеми. Світові запаси цих залишків, які є побічним продуктом видобутку глинозему у процесі Байєра, у 2020 році перевищили 5 мільярдів тонн [1]. Бокситові залишки характеризуються високим рівнем pH, високою солоністю, відсутністю структури та підвищеним вмістом важких металів, включаючи Cr та V [2]. Через такі характеристики переробка червоного шламу в даний час сильно обмежена і не перевищує 3%, що призводить до складування на суші як до кінцевої точки життєвого циклу залишку [3]. Однак слід враховувати, що бокситові залишки містять значні концентрації рідкоземельних елементів (РЗЕ), в середньому в 4,5 разів вище, ніж у земній корі [4]. В даний час ці елементи займають 1-е місце у списку критичної сировини, а ціна на деякі чисті оксиди іноді може досягати 6 мільйонів доларів за тонну [4, 5]. У порівнянні з традиційними методами екстракції РЗЕ, фітоекстракція, яка являє собою метод, що використовує рослини для вилучення та накопичення цільових елементів у їх надземних частинах, має ряд переваг [6]. Її успішне застосування на червоному шламі може дозволити підвищити цінність залишку, відновити його економічно ефективним способом та знизити навантаження на навколишнє середовище, пов’язане зі видобутком та переробкою РЗЕ. Однак до цього часу не було виявлено жодного виду рослин, здатних рости на бокситових залишках та накопичувати РЗЕ у достатніх кількостях. Таким чином, метою дослідження було вивчити можливість фітоекстракції РЗЕ місцевими та агрономічними видами рослин, що ростуть на необроблених та модифікованих (BRM) червоних шламах. Дослідження проводились на двох сховищах. Перше, 50-річний відвал червоного шламу, містив необроблені залишки без будь-якого навмисного внесення органічної речовини і був спонтанно колонізований рослинністю. Друге сховище використовується в даний час, і містить оброблений гіпсом (5% мас./мас.) з додаванням компосту (5% мас./мас.) червоний шлам (BRM+Comp). У експерименті з лізиметрами в контрольованих умовах порівнювався вплив компосту (Comp) або осаду стічних вод (STEP) на поглинання рослинами РЗЕ. Для лізиметрів використовувалися два типи насіння: насіння місцевих рослин, зібраних на історичному шлаковідвалі (BG,) або суміш насіння агрокультурних рослин Dactylis glomerata та Onobrychis viciifolia (SD). Концентрація РЗЕ в біомасі рослин вимірювалася за допомогою ICP-MS після хімічного розчинення в суміші азотної та хлорної кислот та перекису водню. Крім того, біодоступні концентрації РЗЕ у червоних шламах були виміряні з використанням трьох екстрагентів: води, ДТПА та лимонної кислоти. Враховуючи, що поріг концентрації РЗЕ в біомасі для того, щоб рослина була названа гіперакумулятором РЗЕ, становить 1000 мг/кг сухої речовини (СР), загальне поглинання РЗЕ рослинами було низьким і ніколи не досягало більше ніж 6 мг/кг СР. Здебільшого це пояснювалося невідповідними властивостями червоного шламу та фізіологією рослин. На історичному шлаковідвалі, серед достовірних результатів, концентрація РЗЕ у пагонах була найвищою для місцевих рослин Spergularia media (1,56 мг/кг СР), Atriplex halimus (1,56 мг/кг СР) та Hymenolobus procumbens (1,42 мг/кг СР). Для BRM+Comp з другого сховища концентрація РЗЕ була найвищою у Hymenolobus procumbens (0,54 мг/кг СР). Контраст у поглинанні був пов’язаний з різницею у вологості та загальному вмісті органічного вуглецю (TOC). Найбільш поширеними елементами в рослинах були Ce і La, відсоток яких досягав 33% і 18% у Hymenolobus procumbens. Аналогічна картина розподілу РЗЕ спостерігалася і для біодоступних концентрацій у ґрунті, причому Ce та La були найпоширенішими. Відомо, що внесення гіпсу знижує pH та солоність залишків. Це пов’язано з реакцією Ca2+ з розчинними аніонами лугу та видаленням Na+ після промивання водою. Модифікація гіпсом та внесення органічних добавок призвели до збільшення значень концентрації РЗЕ у пагонах порівняно з польовими експериментами. Обробка STEP привела до більш високого виробництва біомаси, ніж Comp, як для BG (37,8 г і 14,1 г на лізиметр відповідно), так і для SD (78 г і 25,2 г на лізиметр відповідно). Загальний експорт РЗЕ в надземні частини розрахований шляхом множення ваги сухої біомаси на концентрацію РЗЕ в рослинах. Модальність BRM+STEP_SD показала найвищий показник загального експорту РЗЕ на лізиметр (0,061 мг РЗЕ на лізиметр) переважно за рахунок поглинання РЗЕ рослиною Dactylis glomerata з високою біомасою. Крім фітоекстракції РЗЕ результати вирощування Dactylis glomerata на червоному шламі з додаванням осаду стічних вод вказують на можливі напрямки подальшої роботи в плані фітостабілізації та реабілітації. На основі запропонованого принципу модифікації залишків було проведено технічні розрахунки для масштабування технології ремедіації для Миколаївського сховища червоного шламу №2. Загальна площа ділянки становила 150 га, глибина внесення добавок вважалася 0,3 м. Крім того, було запропоновано технологічну схему одного з можливих способів переробки біомаси. Для методу виділення чистих оксидів рідкоземельних елементів з біомаси були визначені всі необхідні апарати та матеріали відповідно до методики, запропонованої в [7]. Всі експериментальні результати отримані на базі Aix-Marseille Universite, Institut Mediterraneen de Biodiversite та d’Ecologie marine et continentale (IMBE), Франція. Елементний аналіз виконано на базі Centre Europeen de Recherche та d’Enseignement des Geosciences de l’Environnement (CEREGE), Франція. Технічні розрахунки та технологічна схема виконано у Національному університеті «Львівська політехніка», Україна. Ключові слова: біоакумуляція, рідкоземельні елементи, біодоступність, органічні добавки, червоний шлам