Очистка карьерных вод от ионов марганца и никеля на проницаемом реактивном железо-углеродном барьере

Очистка многотоннажных карьерных вод от ионов тяжелых металлов является сложной экологической и технологической проблемой. Предшествующие исследования авторов по применению редокс-системы Fe0–C для очистки карьерных вод, образующихся при добыче железной руды открытым способом, от другого распространенного загрязнителя – нитрат-ионов – продемонстрировали высокую эффективность их очистки и от ионов тяжелых металлов. Известно эффективное применение редокс-систем на основе гальванопар Fe0–C, Fe0–Cu для очистки кислых сточных вод гальванических производств, а также кислых подотвальных вод. Представлены результаты исследований процессов глубокой очистки нейтральных и слабощелочных карьерных вод горнорудного предприятия по добыче железной руды от ионов тяжелых металлов с использованием редокс-системы Fe0–C. Показано, что при исходной концентрации ионов Mn2+ 0,51±0,13 мг/дм3 и Ni2+ 0,18±0,05 мг/дм3 использование реактивного материала, содержащего гальванопару Fe0–C в массовом соотношении 2:1, обеспечивает снижение содержания ионов тяжелых металлов до требуемых нормативных показателей. Методами сканирующей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа установлен химический и фазовый состав осадка, формирующегося при протекании окислительно-восстановительных процессов. Установлено, что осадок представляет смесь магнетита и гетита и может быть использован в качестве сорбента для извлечения ионов тяжелых металлов. Полученные изотермы адсорбции ионов никеля и марганца показали, что адсорбция протекает по полимолекулярному механизму, а емкость сорбента при исходной концентрации ионов Ni2+ 9,87±2,50 мг/дм3 и Mn2+ 10,71±2,70 мг/дм3 равна 28,9 и 22,1 мг/г соответственно.

Бессонова Е. Н., Глушанкова И. С. Очистка карьерных вод от ионов марганца и никеля на проницаемом реактивном железо-углеродном барьере // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 10. – С. 48–60. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2025_10_0_48.

Бессонова Елена Николаевна¹ — аспирант, e-mail: el-81@yandex.ru, ORCID ID: 0000-0001-7909-2013,
Глушанкова Ирина Самуиловна¹ — д-р техн. наук, профессор, e-mail: irina_chem@mail.ru, ORCID ID: 0000-0003-3376-8000,
¹ Пермский национальный исследовательский политехнический университет.

Бессонова Е.Н., e-mail: el-81@yandex.ru.

1. Ewool J., Blankson E. R., Quartey J. K., Kyerematen R., Gbogbo F. Heavy metal concentrations in drinking water sources in two mining districts in Ghana // Heliyon. 2024, vol. 10, no. 13, article e33296. DOI: 10.1016/J.HELIYON.2024.E33296.

2. Опекунов А. Ю., Опекунова М. Г., Сомов В. В., Митрофанова Е. С., Кукушкин С. Ю. Влияние разработки Сибайского месторождения (Южный Урал) на трансформацию потока металлов в подчиненных ландшафтах // Вестник Московского университета. Серия 5: География. — 2018. — № 1. — С. 14—24.

3. Chen Z., Zhao Y., Liang N., Yao Y., Zhao Y., Liu T. Pollution, cumulative ecological risk and source apportionment of heavy metals in water bodies and river sediments near the Luanchuan molybdenum mining area in the Xiaoqinling Mountains, China // Marine Pollution Bulletin. 2024, vol. 205, article 116621. DOI: 10.1016/J.MARPOLBUL.2024.116621.

4. Овчинников Л. Н. Прикладная геохимия. — М.: Недра, 1990. — 247 с.

5. Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Магматическая геохимия марганца. Обзор // Вестник Института геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН. — 2012. — № 12 (216). — С. 9—13.

6. Ugya A. Y., Ajibade F. O., Ajibade T. F. Water pollution resulting from mining activity: an overview / Proceedings of the 2018 Annual Conference of the School of Engineering & Engineering Technology (SEET), The Federal University of Technology, Akure, Nigeria, 2018, vol. 3, pp. 703—718.

7. Sun Z., Xie X., Wang P., Hu Y., Cheng H. Heavy metal pollution caused by small-scale metal ore mining activities: A case study from a polymetallic mine in South China // Science of the Total Environment. 2018, vol. 639, pp. 217—227. DOI: 10.1016/J.SCITOTENV.2018.05.176.

8. Kalisz S., Kibort K., Mioduska J., Lieder M., Małachowska A. Waste management in the mining industry of metals ores, coal, oil and natural gas — A review // Journal of Environmental Management. 2022, vol. 304, article 114239. DOI: 10.1016/J.JENVMAN.2021.114239.

9. Bondu R., Casiot C., Pistre S., Batiot-Guilhe C. Impact of past mining activities on water quality in a karst area in the Cévennes region, Southern France // Science of the Total Environment. 2023, vol. 873, article 162274. DOI: 10.1016/J.SCITOTENV.2023.162274.

10. Янин Е. П. Экологические последствия разработки месторождений цветных и редких металлов. Аналитический обзор // Экологическая экспертиза. — 2020. — № 1. — С. 2—82. DOI: 10.36535/0869-1010-2020-01-1.

11. Xu H., Li C., Wen C., Zhu S., Zhu S., Li N., Li R., Luo X. Heavy metal fraction, pollution, and source-oriented risk assessment in biofilms on a river system polluted by mining activities // Chemosphere. 2023, vol. 322, article 138137. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2023.138137.

12. Erasmus J. H., Malherbe W., Zimmermann S., Lorenz A. W., Nachev M., Wepener V., Sures B., Smit N. J. Metal accumulation in riverine macroinvertebrates from a platinum mining region // Science of the Total Environment. 2020, vol. 703, article 134738. DOI: 10.1016/J.SCITOTENV.2019.134738.

13. Kumar A., Jigyasu D. K., Kumar A., Subrahmanyam G., Mondal R., Shabnam A. A., Cabral-Pinto M. M. S., Malyan S. K., Chaturvedi A. K., Gupta D. K., Fagodiya R. K., Khan S. A., Bhatia A. Nickel in terrestrial biota: Comprehensive review on contamination, toxicity, tolerance and its remediation approaches // Chemosphere. 2021, vol. 275, article 129996. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.129996.

14. Zheng W., Ren S., Graziano J. H. Manganese inhibits mitochondrial aconitase: a mechanism of manganese neurotoxicity // Brain Research. 1998, vol. 799, no. 2, pp. 334—342. DOI: 10.1016/ s0006-8993(98)00481-8.

15. Wang C., Zhao H., Liu Y., Qu M., Lv S., He G., Liang H., Chen K., Yang L., He Y., Ou C. Neurotoxicity of manganese via ferroptosis induced by redox imbalance and iron overload // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2024, vol. 278, article 116404. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2024.116404.

16. Du X., Liu G., Qu F., Li K., Shao S., Li G., Liang H. Removal of iron, manganese and ammonia from groundwater using a PAC-MBR system: The anti-pollution ability, microbial population and membrane fouling // Desalination. 2017, vol. 403, pp. 97—106. DOI: 10.1016/J.DESAL.2016.03.002.

17. Saeed T., Alam M. K., Miah M. J., Majed N. Removal of heavy metals in subsurface flow constructed wetlands: Application of effluent recirculation // Environmental and Sustainability Indicators. 2021, vol. 12, article 100146. DOI: 10.1016/J.INDIC.2021.100146.

18. Senthil Rathi B., Senthil Kumar P., Natanya Ida Susana J., Francia Virgin J., Dharani R., Sanjay S., Gayathri R. Recent research progress on the removal of heavy metals from wastewater using modified zeolites: A critical review // Desalination and Water Treatment. 2024, vol. 319, article 100573. DOI: 10.1016/J.DWT.2024.100573.

19. Халтурина Т. И., Курилина Т. А., Хакимов Д. Ф., Чурбакова О. В. Очистка сточных вод гальванического производства от ионов Cu2+, Ni2+ и Zn2+ // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2012. — № 1(637). — С. 77—83.

20. Шадрунова И. В., Орехова Н. Н., Медяник Н. Л. Ресурсосберегающие технологии переработки техногенных вод горных предприятий // Чистая вода: проблемы и решения. — 2011. — № 1-2. — С. 71—77.

21. Глушанкова И. С., Бессонова Е. Н., Блинов С. М., Рудакова Л. В., Белкин П. А. Очистка карьерных вод горнорудных предприятий от азотсодержащих соединений с использованием редокс-барьеров // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 10. — С. 58—68. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_10_0_58.

22. Glushankova I. S., Bessonova E. N., Kudryashova E. N., Rudakova L. V., Blinov S. M., Belkin P. A. Denitrification of quarry wastewater from mining enterprises by galvanocoagulation // Lecture Notes in Networks and Systems. 2022, vol. 342, pp. 343—351. DOI: 10.1007/978-3-03089477-1_34.

23. Чантурия В. А., Соложенкин П. М. Гальванохимические методы очистки техногенных вод: Теория и практика. — М.: Академкнига, 2005. — 204 с.

24. Попов В. В., Горбунов А. И., Левина Е. Ф. Закономерности образования нанокристаллических частиц оксигидроксидов железа (III) при окислении соединений железа (II) в нейтральной среде // Журнал неорганической химии. — 2010. — Т. 55. — № 7. — С. 1063—1069.

25. Biela R., Kučera T. Efficacy of sorption materials for nickel, iron and manganese removal from water // Procedia Engineering. 2016, vol. 162, pp. 56—63. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.11.012.

26. Линников О. Д., Родина И. В. Сорбционные свойства свежеосажденного гидроксида железа (III) в отношении ионов никеля. Часть 1. Механизм и эффективность сорбционного процесса // Физикохимия поверхности и защита материалов. — 2022. — Т. 58. — № 6. — С. 574—582. DOI: 10.31857/S0044185622060109.