«УДК 551.481.1 ГИДРОХИМИЧЕСКИЕ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОЗЕР АЛГИНСКОЕ БОЛЬШОЕ И ГУДЖИРГАНСКОЕ (БУРЯТИЯ) Е.Ю. Абидуева, Н.Б. Дондупова, В.В. Хахинов Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов ...»

Е.Ю. Абидуева, Н.Б. Дондупова, В.В. Хахинов. Гидрохимические и микробиологические характеристики озер Алгинское

Большое и Гуджирганское (Бурятия)

УДК 551.481.1

ГИДРОХИМИЧЕСКИЕ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ОЗЕР АЛГИНСКОЕ БОЛЬШОЕ И ГУДЖИРГАНСКОЕ (БУРЯТИЯ)

Е.Ю. Абидуева, Н.Б. Дондупова, В.В. Хахинов

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов МО РФ РНП.2.1.1/2165, МО РФ № РНП.2.1.1, программы "Фундаментальные исследования и высшее образование" (НОЦ-017 "Байкал"), интеграционных грантов Президиума СО РАН №38 и №95.

Представлены результаты гидрохимического и микробиологического исследования содово-соленых озер Баргузинской долины, характеризующихся высокими значениями рН (8,9-9,4). В воде и донных осадках изучены численности различных физиологических групп бактерий-деструкторов органического вещества (ОВ), определен количественный состав.

Ключевые слова: содово-соленые озера, бактерии-деструкторы, органическое вещество.

HYDRO-CHEMICAL AND MICROBIOLOGICAL PARAMETERS OF THE LAKES ALGINSKOYE BOLSHOYE

AND GUDZHIRGANSKOYE (BURYATIA)

E.Yu. Abidueva, N.B. Dondupova, V.V. Khahinov The results of hydrochemical and microbiological investigations of Barguzin valley soda-saline lakes, characterized high pH (8,9-9,4), are presented in the article. The number of different physiological groups of bacteria-destructors of organic matter (OM) was studied in the water and bottom sediments, quantitative structure had been determined.

Keywords: soda-saline lakes, bacteria-destructors, organic matter.

Водные системы Баргузинской долины, к которым относятся исследуемые озера, отличаются большим разнообразием. В бассейне реки Баргузин встречаются разнообразные по химическому составу воды – пресные, содово-соленые, солоноватые озера, холодные и горячие минеральные источники, большие и малые притоки [1]. Площадь распространения Алгинских озер приурочена к одноименной впадине неогенового возраста, отделенной от основной Баргузинской впадины продолжением Алгинского отрога Икатского хребта [2].

Содово-соленые озера – экстремальные экосистемы и уникальные природные объекты. Микробиологические исследования, проведенные в содово-соленых озерах разных континентов, показали, что в них активно функционирует алкалофильное микробное сообщество, которое является основной живой компонентой в экстремальных условиях этих озер. Эти бактерии осуществляют биогеохимические процессы при высоких значениях рН и минерализации. В содово-соленых водоемах не происходит накопления органического вещества и, следовательно, сообщество должно обладать всеми основными функциональными группами организмов, обеспечивая замкнутый цикл веществ [3].

Цель работы – изучение гидрохимических параметров воды и распространения различных физиологических групп бактерий-деструкторов органического вещества в содово-соленых озерах Баргузинской долины: Алгинское Большое и Гуджирганское.

Исследуемые содово-соленые озера невелики, мелководны и имеют относительно малые площади (табл. 1). Вода озер имеет высокие показатели рН и минерализации. Значения минерализации воды озер в период исследований варьировались от 12 до 26 г/дм3. В период отбора проб показатели температуры воды в озерах колебались от +10 до +120С. Значения рН воды в исследованных озерах находились в щелочной области и варьировали от 8,9 до 9,4. Исследование ионно-солевого состава исследуемых озер показало, что их характерной особенностью является преобладание в них ионов натрия (табл. 2). В водах озер Алгинское Большое и Гуджирганское содержание ионов калия составляло 45 и 5709 мг/дм3, ионов кальция – 104 и 48 мг/дм3, ионов магния – 57,6 и 283 мг/дм3 соответственно.

По анионному составу в обоих исследуемых озерах установлено преобладание сульфат-ионов, их концентрации были равны 1260 мг/дм3 (оз. Алгинское Большое) и 18900 мг/дм3 (оз. Гуджирганское).

Хлориды – постоянный компонент воды, его содержание в озерах колебалось от 108,5 до 3795, мг/дм3. Концентрация гидрокарбонатов в водах исследуемых озер варьировала от 73,2 до 2074 мг/дм3.

Содержание карбонатов в озерах колебалось от 2,4 мг/дм3 (оз. Алгинское Большое) до 600 мг/дм3 (оз.

Гуджирганское).

ВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

2011/ Таблица Морфометрические и физико-химические показатели воды исследуемых озер Т, оС Озеро Местоположение Дата h, м S, км2 рН М, г/дм Алгинское Баргузинский р-н, Рес- октябрь, 1,3 1,08 +12 8,9 Большое публика Бурятия Гуджирганское Баргузинский р-н, Рес- октябрь, 0,8 0,30 +10 9,4 публика Бурятия h – глубина озера; S – площадь озера в момент исследования; М – минерализация.

Таблица Катионно-анионный состав воды исследуемых озер, мг/дм Озера Сорг, % K+ Na+ Ca2+ Mg2+ CO32- HCO3- SO42- ClАлгинское Большое 0,69 45 684 104 57,6 2,4 73,2 1260 108, Гуджирганское 0,61 5709 17600 48 283 600 2074 18900 3795, В содово-соленые озера помимо автохтонного органического вещества поступает аллохтонное органическое вещество с прибрежных участков в виде растительного остатка. Значения концентрации ОВ (органического вещества) в осадках озер Алгинское Большое и Гуджирганское в период исследования составляли 0,69 и 0,61% сухого остатка соответственно (табл. 2). Автохтонное и аллохтонное органическое вещество в дальнейшем подвергается разнообразным превращениям, общим итогом которых является постепенное разрушение органического вещества – его деструкция. Согласно современным представлениям, микробное сообщество содовых озер имеет все основные группы микроорганизмов осуществляющих деструкцию органического вещества вплоть до полного его разложения [3]. Распространение алкалофильных бактерий-деструкторов органического вещества было изучено в воде и донных осадках исследуемых озер. Определены численности амилолитических и целлюлоразлагающих бактерий в различных пробах при помощи метода предельных разведений [4] (табл. 3).

Таблица Максимальная численность бактерий-деструкторов в озерах, кл/мл Озеро Проба Амилолитики Целлюлолитики аэробы анаэробы аэробы анаэробы Алгинское Большое Вода 105 107 109 Ил 105 105 107 Гуджирганское Вода 105 104 108 Ил 105 105 107 Среди исследуемых групп бактерий-деструкторов наиболее многочисленными были целлюлолитические бактерии. Преобладание данной группы бактерий, возможно, связано с широким распространением легкогидролизуемого субстрата. Количество амилолитических бактерий в воде и донных осадках на 2-3 порядка ниже, чем целлюлолитиков. Исследуемые водные экосистемы характеризовались высокими значениями численностей целлюлолитиков до 109 кл/мл. Учет численности амилолитических бактерий выявил от 104 до 107 кл/мл. Сравнительный анализ показал, что в воде исследуемых озер аэробных клеток целлюлолитиков было больше, чем анаэробных.

Таким образом, озера Алгинское Большое и Гуджирганское являются неглубокими, мелководными, с относительно малыми площадями водного зеркала водоемами. Значения рН воды в исследованных озерах находились в щелочной области (до 9,4). Значения минерализации составляли 12 и г/дм3. Изучение катионно-анионного состава воды исследуемых озер позволило установить, что доминирующими ионами являлись катионы натрия и анионы сульфатов. Концентрация ОВ в осадках озер Большое Алгинское и Гуджирганское в период исследования составляла 0,69 и 0,61% сухого остатка соответственно.

Микробиологические исследования показали, что в воде и донных отложениях исследуемых озер распространены различные физиологические группы алкалофильных бактерий-деструкторов, максимальные численности которых достигали до 109 кл/мл.

Л.В. Замана. Дейтерий и кислород-18 воды азотных терм Баунтовской группы (Байкальская рифтовая зона) Литература 1. Обожин В.Н., Богданов В.Т., Кликунова О.Ф. Гидрохимия рек и озер Бурятии. – Новосибирск: Наука, 1984. – 150 с.

2. Намсараев Б.Б., Зайцева С.В., Хахинов В.В. и др. Минеральные озера и источники Баргузинской долины. – УланУдэ: Изд-во БГУ, 2007. – 100 с.

3. Заварзин Г.А., Жилина Т.Н., Кевбрин В.В. Алкалофильное микробное сообщество и его функциональное разнообразие // Микробиология. – 1999. – Т.65, №5. – С. 579-599.

4. Практикум по микробиологии / под ред. А.И. Нетрусова. – М.: Академия. – 2005. – 607 с.

Абидуева Елена Юрьевна, доктор биологических наук, старший научный сотрудник, лаборатория микробилогиии, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6.

Дондупова Наталья Базаржаповна, магистрант, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а.

Хахинов Вячеслав Викторович, доктор химических наук, профессор, Байкальский институт природопользования СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8.

Abidueva Elena Yurievna, doctor of biology, senior researcher, laboratory of microbiology, Institute of General and Experimental Biology SB RAS.

Dondupova Natalya Bazarzhapovna, graduate student, Buryat State University.

Khahinov Vyacheslav Victorovich, doctor of chemistry, professor, Baikal Institute of Nature Management, SB RAS.

УДК 550.42 (571.54)

ДЕЙТЕРИЙ И КИСЛОРОД-18 ВОДЫ АЗОТНЫХ ТЕРМ БАУНТОВСКОЙ ГРУППЫ

(БАЙКАЛЬСКАЯ РИФТОВАЯ ЗОНА)

Работа выполнена при поддержке интеграционного проекта СО РАН и ДВО РАН № «Геохимия и источники вещества термальных вод Сибири и Дальнего Востока»

Изотопный состав терм соответствует метеорным водам, но отмечается кислородный сдвиг по отношению к линии Крейга в сторону утяжеления, который объясняется испарением воды на поверхности. Предполагается фракционирование дейтерия и кислорода при взаимодействии воды с силикатными породами.

Ключевые слова: азотные термы, изотопный состав, дейтерий, кислород-18, фракционирование изотопов.

DEUTERIUM AND OXYGEN-18 OF NITROGEN THERMS WATER OF BAUNT GROUP

Isotopic composition of therms corresponds to meteoritic waters but an oxygen shift towards the line in the direction of Craig's weighting is observed, it is explained by evaporation of water on the surface. It is assumed fractionation of deuterium and oxygen during interaction of water – silicate rocks interaction.

Keywords: nitric therms, isotopic composition of deuterium and oxygen-18 isotope fractionation.

Изотопы воды рассматриваются как наиболее информативный показатель ее инфильтрационной, седиментационной или эндогенной природы. Общепринято считать, что инфильтрационные, первично атмосферные (метеогенные) воды по изотопному составу водорода соответствуют питающим их атмосферным осадкам [1, 2], тогда как по кислороду состав может изменяться из-за изотопного обмена с вмещающими породами. По результатам определений изотопного состава атмосферных осадков в различных точках земного шара была выявлена строгая линейная зависимость между концентрациями в них тяжелых стабильных изотопов воды – дейтерия и кислорода-18, которая по отношению к океаническому стандарту (SMOW) описывается уравнением D = 818O + 10 (‰) [3]. Соответствующая ему линия по имени автора публикации получила название линии (кривой) метеорных вод Крейга.

Исследованиями изотопного состава азотных терм Байкальской рифтовой зоны (БРЗ) ранее было показано, что вода их имеет атмосферное происхождение. Вариации дейтерия и кислорода-18 в ней не выходили за пределы соответственно -108…-190 и -13,2…-19,6 ‰ [4] при изменениях в водах атмосферных осадков, рек и озер Восточной Сибири от -65 до -190 по D и от -9 до -20 ‰ по 18O [5]. Эти выводы не стали, однако, препятствием для поиска новых доказательств эндогенного источника воды терм, теперь уже не в результате глубинного (магматогенного) ее поступления, а вследствие образования из исходного сухого углеводородного мантийного флюида [6]. Последние изотопные измерения состава Е.Ю. Абидуева, В.А. Суворова, Б.Б. Намсараев. Гидрохимические показатели и численности бактерий-деструкторов содовосоленых озер Луу Нуур И Эжийн Нуур (Внутренняя Монголия) УДК 551.481.

ГИДРОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ЧИСЛЕННОСТИ БАКТЕРИЙ-ДЕСТРУКТОРОВ

СОДОВО-СОЛЕНЫХ ОЗЕР ЛУУ НУУР И ЭЖИЙН НУУР (ВНУТРЕННЯЯ МОНГОЛИЯ)

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов МО РФ РНП.2.1.1/2165, МО РФ № РНП.2.1.1, программы «Фундаментальные исследования и высшее образование" (НОЦ-017 "Байкал"), интеграционных грантов Президиума СО РАН №38 и № Проведенные исследования в содово-соленых озерах Внутренней Монголии показали, что преобладающим ионом в катионном составе исследуемых вод является натрий, среди анионов ведущее место принадлежит ионам хлора, сульфата и гидрокарбоната. Несмотря на экстремальность условий было выявлено широкое распространение алкалофильных и галоалкалофильных бактерий-деструкторов.

Ключевые слова: содово-соленые озера, бактерии-деструкторы.

HYDRO-CHEMICAL PARAMETERS AND ABUNDANCE OF BACTERIA-DESTRUCTORS

IN SODA-SALINE LAKES LUU NUUR AND EZHIYN NUUR (INNER MONGOLIA)

The research of the Inner Mongolia soda-saline lakes showed, that predominant ion in the cation composition of waters is sodium, among anions leading place belongs to chlorine, sulphate and bicarbonate ions. Despite the extreme conditions alkaliphilic and haloalkaliphilic bacteria-destructors was found enough widespread.

Keywords: soda-saline lakes, bacteria-destructors.

В криоаридной зоне Внутренней Монголии широко распространены содовые и содово-соленые озера. Содовые и содово-соленые озера характеризуются высокими значениями рН и высокой степенью минерализации [1]. Поэтому они относятся к экстремальным экосистемам, в которых функционируют алкалофильные и галоалкалофильные микробные сообщества.

Цель работы – изучение гидрохимических параметров воды содово-соленых озер Внутренней Монголии и распространение в них различных физиологических групп алкалофильных и галоалкалофильных бактерий, что позволит расширить представление о природе генезиса и функционировании этих экосистем.

Были проведены физико-химические исследования содово-соленых озер Внутренней Монголии – Луу Нуур (41о41463 с.ш., 115о18203 в.д.) и Эжийн Нуур (45о14951 с.ш., 116о31596 в.д.), представленные в таблице 1 (пробы отбирались в августе 2010 г.). Значения рН воды в исследованных озерах находились в щелочной области 7,3 и 8,94, соответственно. Высокое содержание солей в содово-соленых озерах (1,18 и 9,04 г/дм3) обусловлено характером их водно-солевого питания (в основном за счет атмосферных осадков) и климатическими условиями региона, которые определяются его территориальным местоположением. Резко-континентальный климат аридной зоны отличается выпадением небольшого количества осадков. Тип вод этих озер обусловлен в первую очередь процессом углекислотного выщелачивания силикатных пород с водосборной площади метеорными водами. В гидрохимическом отношении высокая щелочность означает удаление прежде всего кальция как макрокомпонента. Доминирующим катионом становится натрий, а анионами служат карбонат/гидрокарбонат и хлорид-ионы примерно в равной пропорции, создающие в зависимости от минерализации более или менее мощную буферную систему. Присутствует также сульфат, концентрация которого сильно варьирует в содово-соленых озерах [1, 2].

Максимальные количества определяемых ионов были зафиксированы в озере Эжийн Нуур, что и объясняет высокую минерализацию в данном озере. По результатам сравнительного анализа анионного состава, исследуемые озера отнесены к содово-соленым, так как в них зарегистрировано большое содержание ионов хлора 494,03 мг/дм3 (оз. Луу Нуур) и 32955,65 мг/дм3 (оз. Эжийн Нуур). По катионному составу преобладали ионы натрия, его концентрация варьировала от 408 до 25000 мг/дм3, а в сочетании с высокими значениями ионов карбоната и гидрокарбоната придают щелочной характер воде изучаемых озер. Содержание остальных катионов было значительно ниже содержания ионов натрия (табл. 1).

ВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

Физико-химические показатели воды содово-соленых озер Внутренней Монголии, мг/дм М – минерализация Основной живой компонентой в экстремальных условиях содовых и содово-соленных озер является алкалофильное, галоалкалофильное микробное сообщество. Так как высокие значения рН и минерализации ограничивают развитие высших форм растений и животных. В содовых водоемах не происходит накопления органического вещества и, следовательно, сообщество должно обладать всеми основными функциональными группами организмов, обеспечивая замкнутый цикл веществ [1].

Распространение алкалофильных и галоалкалофильных бактерий-деструкторов органического вещества было изучено в воде и донных осадках исследуемых озер. Определены численности протеолитических, целлюлолитических и амилолитических бактерий в различных пробах (табл. 2).

Максимальная численность бактерий-деструкторов в озерах, кл/мл Среди исследуемых групп бактерий-деструкторов наиболее многочисленными были протеолитические бактерии. Преобладание данной группы бактерий, скорее всего, связано с широким распространением легкогидролизуемого субстрата. Их численность в водной толще изучаемых озер составляла 104-106 кл/мл, в донных осадках – до 109 кл/мл. Количество целлюлозоразлагающих бактерий в воде и донных осадках на 2-3 порядка ниже, чем протеолитиков. Максимальное число целлюлолитиков не превышало 107 кл/мл. Численность амилолитиков в исследуемых озерах выше, чем целлюлолитиков. Учет численности амилолитических бактерий выявил от 104 до 108 тыс. кл/мл. Сравнительный анализ показал, что и в воде, и в донных осадках анаэробных клеток протеолитиков и амилолитиков было больше, чем аэробных.

Озера различаются по гидрохимии, на их химический состав влияют усиленное испарение вод, что связано с высокой солнечной инсоляцией в этих широтах, процесс вымораживания вод в зимнее время и принос химических элементов с атмосферными осадками. Изучение гидрохимических характеристик содово-соленых озер позволило выявить, что полученные нами данные по химическому составу воды соотносятся с таковыми в других содовых и содово-соленых озерах мира – оз. Магади (Африка), озера Тывы [3-5], что заключалось в следующем:

- в исследуемых озерах по катионному составу преобладают ионы натрия;

- среди анионов ведущее место принадлежит ионам хлора.

Микробиологические исследования показали, что в исследуемых озерах широко распространены алкалофильные и галоалкалофильные бактерии-деструкторы, чья геохимическая деятельность влияет на формирование состава вод в этих водоемах. Микробные сообщества являются практически единственным живым компонентом в данных экстремальных экосистемах и проводят продукционные и деструкционные процессы, тем самым осуществляя круговорот основных биогенных элементов.

Е.Ю. Абидуева, В.А. Суворова, Б.Б. Намсараев. Гидрохимические показатели и численности бактерий-деструкторов содовосоленых озер Луу Нуур И Эжийн Нуур (Внутренняя Монголия) Литература 1. Заварзин Г.А., Жилина Т.Н., Кевбрин В.В. Алкалофильное микробное сообщество и его функциональное разнообразие // Микробиология. – 1999. – Т.65, №5. – С. 579-599.

2. Jones B.E., Grant W.D., Collins N.C., Mwatha W.E. Alkaliphiles: diversity and identification // Еd. B.J. Tindall. Bacterial diversity and systematics. – N.Y.: Pries FG, Ramos-Cormensana A, Plenium, 1994. – P. 195-229.

3. Eugster H.P. Hypersaline Brines and Evaporitic Environments, Development and sedimentology // Ed. F. Nissenbaum. – Amsterdam: Elsevir, 1980. – 195 р.

4. Заварзин Г.А., Жилина Т.Н., Пикута Е.В. Вторичные анаэробы в галоалкалофильных сообществах озер Тувы // Микробиология. – 1996. – Т.65, №4. – С. 396-401.

5. Пиннекер Е.В. Минеральные воды Тувы. – Кызыл: Тув. кн. изд-во, 1968. – 120 с.

Абидуева Елена Юрьевна, доктор биологических наук, старший научный сотрудник, лаборатория микробилогиии, институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, Суворова Валентина Андреевна, студент, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а Намсараев Баир Бадмабазарович, доктор биологических наук, профессор, зав. лабораторией микробиологии, институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, [email protected] Abidueva Elena Yurievna, doctor of biology, senior researcher, laboratory of microbiology, Institute of General and Experimental Biology SB RAS.

Suvorova Valentina Andreevna, student, Buryat State University. 670000, Ulan-Ude, Smolin str., 24a.

Namsaraev Bair Badmabazarovich, doctor of biology, professor, head of laboratory of microbiology, Institute of General and Experimental Biology SB RAS.

ВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

УДК 536.76: 538.956: 541.12:541.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАПОЛНЕНИЯ МИКРОПОР

МЕТОДОМ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Ю.В. Аграфонов, М.Ю. Просекин, И.Г. Просекина, Н.А. Зеленцов, В.В. Широков Работа выполнена при поддержке программы АВЦП РНП, проект 2.1.1/10161.

Разработана программа расчета первых двух младших молекулярных функций распределения вблизи одной и двух ограничивающих непроницаемых поверхностей на основе свободного программного обеспечения. Численный эксперимент привлечен для проверки соответствия теоретических моделей натурному эксперименту с многопараметрическими условиями.

Объединение натурного и численного экспериментов позволяет создавать новые надежные алгоритмы расчета наноразмерных структур.

Ключевые слова: моделирование, ограничивающие поверхности, микропоры, наноструктуры.

NUMERICAL MODELING OF MICROPORES FILLING BY THE METHOD OF DISTRIBUTION FUNCTION

Yu.V. Agrafonov, M.Yu. Prosekin, I.G. Prosekina, N.A. Zelentsov, V.V. Shirokov A program for calculating the first two lower molecular distribution functions close to one and two limiting impervious surfaces on the basis of free software was developed. The numerical experiment was involved to verify agreement of theoretical models to field experiment with multiparameter conditions. Combining of full-scale and numerical experiments can make new robust algorithms for calculation of nanoscale structures.

Keywords: modeling, bounding surface, micropores, nanostructure.

В настоящее время задачи моделирования поведения частиц вблизи ограничивающих поверхностей в физике наноматериалов и наноструктур приобрели дополнительную актуальность. Многие современные методы исследования материалов были разработаны еще до появления наноструктур. Их применение к интерпретации экспериментальных результатов вызывает сложности, в частности при определении удельной поверхности в микропористых и супермикропористых наноструктурах. Также не всегда оказывается возможным непосредственно учесть ряд факторов, что делает восстановление некоторых микроскопических характеристик вещества неоднозначной обратной задачей. Подобные проблемы можно устранить посредством прямого моделирования структуры газа или жидкости в ограниченном объеме, с учетом геометрии ограничивающих поверхностей и вида межмолекулярного взаимодействия молекул адсорбента со стенкой или стенками.

Для этой задачи необходимо рассчитать напрямую потенциал адсорбционного взаимодействия на основе суммирования парных потенциалов. В конечном итоге это путь сочетания обычного физикохимического эксперимента с численным экспериментом, который проводится на ЭВМ. Подобный подход позволяет выявить особенности поведения адсорбирующегося газа (жидкости) для конкретной системы микропор довольно точно, при этом явно выделить эффект размеров системы и характера межмолекулярного потенциала взаимодействия. Это позволяет повысить надежность обработки экспериментальных результатов, работать с отдельными массивами данных, конструируя их из поведения отдельных микропор. На результаты физических экспериментов практически всегда влияют дополнительные неучтенные параметры, погрешности приборов, неоднородность используемых образцов и т.д. В численном эксперименте все эти дополнительные помехи отсутствуют. Правда, вместо них возникают чисто вычислительные проблемы сходимости, множественности решений и поиска глобального минимума многоэкстремальных функций и т.д., но все эти проблемы решаются методами вычислительной математики, которые быстро совершенствуются.

В рамках реализации данного подхода была написана программа расчета одночастичной функции распределения, зная которую, можно рассчитать макроскопические характеристики молекулярной системы. Исходная система уравнений Орнштейна-Цернике, выбор замыкания для задачи моделирования свойств газов (жидкостей средней плотности) в ограниченных объемах описаны в публикациях [1-4]. Данная программа написана на языке Питон и предназначена для работы в первую очередь под операционной системой Линукс, хотя и может использоваться под операционной системой семейства Windows. Для установки программы необходимо иметь компьютер, работающий под операционной системой Линукс, после чего требуется проверить наличие следующих библиотек и модулей:

Ю.В. Аграфонов, М.Ю. Просекин, И.Г. Просекина, Н.А. Зеленцов, В.В. Широков. Численное моделирование заполнения микропор методом функции распределения • Интерпретатор языка Питон;

• Библиотека языка СИ fftw3;

• Библиотека языка Питон numpy;

• Библиотека языка Питон scipy;

• Библиотека pyQt4.

В частности, при использовании дистрибутива Debian Linux Leny можно применить популярную утилиту apt-get. Библиотека языка СИ fftw3 используется для вызова быстрого преобразования Фурье. Библиотека языка Питон numpy – для эффективной работы с массивами. Библиотека языка Питон scipy – для интерполяции функций, чтобы избежать проблем с областью применимости функций.

Библиотека pyQt4 – для организации графического интерфейса работы с программой. Все остальные функции программы, реализованы штатными средствами языков Питон и СИ. Данный подход позволил сделать программу достаточно простой и удобной для дальнейшей модификации. Важно, что программа использует только свободное программное обеспечение и поэтому является «лицензионно чистой». Это позволит использовать ее в процессе обучения студентов и аспирантов, изучающих спецкурсы, связанные с физикой жидкостей и нанотехнологиями.

Программа разбита на два модуля, каждый из которых организован в виде отдельного каталога.

Первый каталог называется 0.003, второй называется 0.012. Подобная организация каталогов вызвана логической необходимостью разделить задачу на две части для нахождения сферическисимметричного решения, двухчастичной функции распределения и вычисления одночастичной функции распределения вблизи ограничивающих поверхностей в синглетном приближении.

Результат вычисления первой программы используется при работе второй, хотя сами вычислительные процедуры организованны независимо. Результат работы первой программы передается в виде файла w12.txt, который формируется в каталоге 0.003 после запуска программы вычисления объемного решения двухчастичной функции распределения.

Обе программы предусматривают работу как в консольном режиме, так и с использованием графического интерфейса. Перейдем к описанию работы с программой вычисления двухчастичной функции распределения. При работе в консольном режиме необходимо вызвать терминал и перейти в рабочий каталог. После чего запускается файл fftw3-proba, этот файл считывает данные из файла w12.cfg, который содержит все параметры необходимые для расчета.

При работе с использованием графического интерфейса, необходимо из рабочей директории запустить файл 1-002.py; в результате мы увидим окно программы, представленное на рис. 1. Это графический интерфейс для расчета двухчастичной функции распределения. На рис. 1 мы видим графический интерфейс программы расчета одночастичной функции распределения, в данном случае показан пример расчета вблизи ограничивающей поверхности. Интерфейс состоит из трех областей, в левом верхнем углу находится окно параметров, которые можно изменять, под ним находятся кнопки:

«принять», «сохранить», «запустить». При нажатии кнопки «сохранить» программа записывает параметры, отображаемые в окне, в конфигурационный файл, при нажатии кнопки «запустить» она сохраняет параметры в файл и после этого вызывает программу, которая читает данные из этого файла.

Справа вверху находится окно, отображающее график получаемой функции, справа внизу под ним – визуализация расчета точности получаемого решения (рис. 2). Это достигается выводом в виде графика значения погрешности расчета для каждой точки. Данная опция позволяет контролировать сходимость решения и является весьма важной.

В строке 1 отображается «число параметров», эта строка предусмотрена для дальнейшего возможного расширения функциональности программы в будущем. В строке «файл конфигурации» указывается имя файла, в котором хранятся все параметры и который можно использовать при запуске в консольном режиме. В строке «потенциал 1-LJ, 2-HS, 3-user» отображается возможность задать числом тип используемого при расчете потенциала межмолекулярного взаимодействия. Задав «тип 1», мы будем вести расчет с потенциалом Леннарда-Джонса, задав «тип 2», мы будем работать с потенциалом твердых сфер.

В строке «максимальный радиус» речь идет об учете эффективного радиуса учитываемых корреляций. Строка «количество интервалов разбиения» задает масштабную сетку для работы алгоритма;

по сути, речь идет о количестве узлов, которые используются при вычислении интегралов. Строка «обратная температура» характеризуют глубину «ямы» в потенциале Леннарда-Джонса и не испольВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА зуется при вычислениях с потенциалом твердых сфер; в этом случае данный параметр просто игнорируется программой.

Рис. 1. Графический интерфейс программы расчета двухчастичной функции распределения одночастичной функции распределения вблизи твердой стенки Строка «плотность» задает безразмерную приведенную концентрацию газа. Строка «замыкание»

позволяет выбирать тип замыкания; по умолчанию стоит единица и в этом случае программа работает с гиперцепным замыканием. Строка «Файл функции Майера» – это название файла, в котором лежит файл отвечающей майеровской функции внешнего поля. В случае расчета сферическисимметричного двухчастичного решения этот файл состоит из нулей, что соответствует внешнему однородному полю. Строка «Выходной файл» отвечает названию файла, который будет содержать результирующий массив значений функции при заданных условиях. Строка «Параметр итерации»

представляет собой числовое значение, которое является внутренней переменной программы, отвечающей за критерий точности при сходимости решения. Чем выше плотности, тем меньше должен быть этот параметр. Соответственно чем больше этот параметр, тем выше быстродействие программы, но меньше точность. Обычно его значения можно задавать в интервале от 0,005 до 0,1 и этого будет достаточно. Строка «Максимальное количество итераций» также отвечает внутренней переменной и нужна для контроля точности и сходимости решения. Строка «погрешность» дает критерий погрешности, при достижении которого программа останавливает расчет. Строка «вывод графики»

Ю.В. Аграфонов, М.Ю. Просекин, И.Г. Просекина, Н.А. Зеленцов, В.В. Широков. Численное моделирование заполнения микропор методом функции распределения позволяет включить и отключить прорисовку графиков. При значении ключа 1 графики строятся; при значении ключа 0 графики не строятся.

Рис. 3. Графический интерфейс программы расчета одночастичной функции распределения в плоском зазоре В правом верхнем окне выводится график, который отображает результат расчета функции с заданными условиями. В правом нижнем окне выводится график, показывающий погрешность расчета.

После копирования файла w12.txt в каталог 0.012 можно переходить к расчету одночастичной функции распределения. Для устойчивой работы программы рекомендуется учитывать следующие факторы. Вначале всегда необходимо рассчитать двухчастичную функцию распределения, а затем рассчитывать все требуемые одночастичные функции распределения с такими же потенциалом взаимодействия, приведенной плотностью и обратной температурой.

Выбор замыкания для решения при малых плотностях не является существенным вопросом, так как все корректные замыкания при малых плотностях дают одинаковую точность. При более высоких плотностях, начиная с приведенной концентрации 0,6, расхождение между различными замыканиями становится существенным. В этом случае наиболее последовательные результаты дает гиперцепное замыкание, которое используется в программе по умолчанию. Однако есть возможность использовать другие замыкания, чтобы решать задачу о сходимости уравнений с различными замыканиями.

При работе с потенциалом твердых сфер необходимо задав приведенную плотность, проверить строки «максимальный радиус», «Параметр итерации», «Максимальное количество итераций». Строка «максимальный радиус» для однородной жидкости должна задаваться не менее 10, по сути, эта строка отображает расстояние, на котором еще учитываются корреляции между частицами; расстояние выражено в диаметрах частицы. Если задать это значение меньше 10, то программа может начать существенно, медленнее сходиться к правильному решению. Параметры итерации также следует подбирать в зависимости от плотности. При повышении плотности, с которой начинается расчет, нужно уменьшать значение в строке «параметр итераций». Правильность задания параметров можно контролировать по нижнему графику. На нем откладывается разница между двумя последними итерациями каждой точки при расчете. Чтобы получить оценку погрешности расчета сверху, необходимо поделить на параметр итераций и умножить на десять. Строка «максимальное количество итераций» необходима для того, чтобы подробно контролировать сходимость решения. При увеличении «максимального количества итераций» возможен более подробный визуальный контроль за сходимостью решения (рис. 3).

При работе с потенциалом Ленарда-Джонса, если наблюдается расходимость, то необходимо сначала повышать температуру, чтобы попасть в область эффективного отталкивания при высоких температурах, и потом делать небольшие итерации по температуре в обратном направлении. В результате можно получить сходимость даже при достаточно высоких плотностях.

При расчете одночастичной функции распределения надо учитывать, что потенциал взаимодействия со стенкой (стенками) всегда задается так, что его крайние значения – это предельные значения

ВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

потенциала. Таким образом, не возникает вопрос о расходимости решения. Кроме того, следует помнить, что потенциал необходимо перевести в вид, соответствующий функции Майера, и записать в виде файла, который указывается в программе как параметр. Программа позволяет решать ряд задач статистической физики жидкости (расчет локальной плотности, структуры ближнего порядка), так и для разработки рекомендаций по совершенствованию методов обработки термодесорбционного эксперимента, в частности, по измерению удельной поверхности, линейной термопрограммируемой десорбции. Программа может быть использована при изучении студентами курса статистической физики жидкостей, физики конденсированного состояния и в качестве лабораторной работы по численному эксперименту. Наглядная оболочка позволяет решать все вышеперечисленные задачи, а хорошо верифицированный алгоритм счета является надежной основой для дальнейшей работы [5-8].

Моделирование принципиально не ограничено числом взаимодействующих частиц, как в методах молекулярной динамики [9] (учитывается естественным ходом убывания парных функций распределения с расстоянием), размерами и формой пор, гетерогенным составом поверхности, особенностями межмолекулярного взаимодействия, числом адсорбирующихся компонентов и т.д. Любые усложнения модели ограничены лишь мощностью используемых компьютеров, которые непрерывно совершенствуются. Дальнейшее развитие программного комплекса мы видим в написании модуля, обрабатывающего темодесорбционные измерения и в более тесной интеграции модулей, отвечающих за расчет адсорбционных величин из первых принципов и обработку эксперимента. Одновременно данный программный комплекс может быть применен с учетом необходимой для этого термодинамики к расчетам транспорта разнообразных молекул через различные пористые среды, поведения смесей флюидов, исследования фазовых переходов в ходе адсорбции на наноструктурированных поверхностях. Очевидно, что за такими подходами – огромное будущее и они рано или поздно заменят традиционные подходы.

Литература 1. Аграфонов Ю.В., Казарян М.А., Просекина И.Г. и др. Метод молекулярных функций распределения в описании адсорбционных процессов в наноразмерных структурах // Краткие сообщения по физике. – ФИАН. – 2009. – Вып.34. – С. 32Аграфонов Ю.В., Просекина И.Г., Просекин М.Ю. и др. Водородсорбционные характеристики углеродных наноструктур, рассчитанные на основе уравнения Орнштейна-Цернике // Известия вузов. Физика. – 2009. – №8. – С. 31-39.

3. Аграфонов Ю.В., Петрушин В.С., Петрушин И.С. и др. Согласование классического и квантового описания ближнего порядка в наноразмерных молекулярных системах // Известия вузов. Физика. – 2009. – №11. – С. 38-44.

4. Аграфонов Ю.В., Просекина И.Г., Просекин М.Ю. Статистический подход к описанию локального порядка в наноструктурах // Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях: материалы II Всерос. конф. г. Москва, 27–30 мая 2009. – М.: МИФИ. – С. 22.

5. Heni M., Lowen H. Interfacial free energy of hard-sphere fluids and solids near a hard wall // Phys. Rev. E. – 1999. – V.60. – P. 7057.

6. Labic S., Kolafa J., Malijevxky A. Virial coefficient of hard spheres and hard disks up to the ninth // Phys. Rev. E. – 2005. – V.71. – P. 21105.

7. Quantana J., Henderson D. Some simple calculations of the density profile of inhomogeneous hard spheres using the LoverMou-Buff-Wertheeim equation with the bulk direct correlation function // J. Phys. Chem. – 1989. – V.93. – P. 8. Лабик С., Малиевский А. Вопка П. Быстросходящийся метод решения уравнения Орнштейна-Цернике // Молекулярная физика. – 1985. – №3. – C. 709-714.

9. Товбин Ю.К. Теория физико-химических процессов на границе газ-твердое тело. – М.: Наука, 1990. – 288 с.

Аграфонов Юрий Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, декан физического факультета, Иркутский государственный университет. 664003, Иркутск, б. Гагарина, 20, тел. 8(3952)241909, e-mail: [email protected] Просекин Михаил Юрьевич, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра радиоэлектроники, физический факультет, Иркутский государственный университет. 664003, Иркутск, б. Гагарина, 20, тел. 8(3952)241909, e-mail:

[email protected] Просекина Ирина Геннадьевна, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра общей физики, физический факультет, Иркутский государственный университет. 664003, Иркутск, б. Гагарина, 20, тел. 8(3952)241909, e-mail:

[email protected] Зеленцов Никита Александрович, аспирант, физический факультет, Иркутский государственный университет. 664003, Иркутск, б. Гагарина, 20, тел. 8(3952)241909, e-mail: [email protected] Широков Валентин Владимирович, студент, институт математики и экономики, Иркутский государственный университет, 664003, Иркутск, б. Гагарина, 20, тел. 8(3952)241909, e-mail: [email protected] С.Л. Буянтуев, К.С. Шаронов. К вопросу об автоматизации управления теплофизическими параметрами установок плазменной газификации углей Agrafonov Yuriy Vasilievich, doctor of physics and mathematics, dean of physical faculty, Irkutsk State University.

Prosekin Mikhail Yurievich, candidate of physics and mathematics, associate professor, department of radioelectronics, physical faculty, Irkutsk State University.

Prosekina Irina Gennadievna, candidate of physics and mathematics, associate professor, department of general physics, physical faculty, Irkutsk State University.

Zelentsov Nikita Alexandrovich, postgraduate student, physical faculty, Irkutsk State University.

Shirokov Valentin Vladimirovich, student, institute of mathematics and economics, Irkutsk State University.

УДК 621.

К ВОПРОСУ ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИМИ

ПАРАМЕТРАМИ УСТАНОВОК ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ

Статья посвящена вопросам оснащения плазменного газификатора автоматизированной системой управления его теплофизическими параметрами. Выделен круг задач, которые необходимо решить в ходе создания системы контроля и управления теплофизическими параметрами плазмохимических установок.

Ключевые слова: система управления и измерения, автоматизация, плазменная обработка углей.

TO THE PROBLEM OF CONTROL AUTOMATION OF PLASMA COALS GASIFICATION

THERMOPHYSICAL PARAMETERS

The article is devoted to plasma gasifier equippement with automatic control system of its thermophysical parameters. A range of tasks that have to be solved during the creation of thermophysical parameters of plasma-chemical devices monitoring and control system is distinguished.

Keywords: сontrol and monitoring systems, automation, plasma processing of coal.

Технологии газификации угля появились как некоторая альтернатива добыче природного газа.

Конечно, объемы получаемого газа методом газификации угля намного меньше объемов добычи природного газа. Однако в некоторых случаях, таких как значительная удаленность населенного пункта или предприятия от газовой магистрали, высокие требования экологической безопасности, а также наличие в местности хороших запасов ископаемого угля, делает газификацию угля привлекательным методом получения горючего газа. В настоящее время уголь в основном используется как топливо в котельных и на тепловых электрических станциях для выработки тепла и электроэнергии.

Существующие уже много десятков лет технологии сжигания угля в топке не отвечают современным требованиям, т.к. превышают допустимый уровень загрязнения атмосферы твердыми углеродными частицами, вылетающими из трубы вместе с дымовыми газами, содержания в дымовых газах окислов азота. Кроме того, существует опасность заражения почвы в местах, где производят выброс золы и шлаков, причина этого – неполное сгорание угольных частиц.

За прошедшее столетие разработано несколько технологий получения синтез-газа – методы Лурги, Винклера и др. Однако установки, работающие по этим принципам, требуют больших капитальных вложений и не соответствуют современным требованиям экологической безопасности. Решение вышеперечисленных проблем возможно в случае применения для термической обработки угля низкотемпературной плазмы. Практическая ценность плазмы при температуре более 3 000 К экспериментально доказана в трудах многих исследователей как России, так и зарубежных стран [1-3]. Плазма, являясь четвертым состоянием вещества, содержит в себе активные радикалы, ионы, электроны, обладает высокой удельной мощностью. Все это является факторами, позволяющими ускорить многие химические процессы.

Использование генераторов плазмы в котлах ТЭС для розжига и поддержания горения угля позволяет снизить концентрацию вредных, канцерогенных выбросов в дымовых газах. Плазменная газификация угля позволяет интенсифицировать процесс горения угольных частиц. Также эта технология является экологически чистым способом получения горючего газа с возможностью варьирования процентного содержания в нем углеводородов и водорода.

Применение плазменных технологий в промышленности невозможно без автоматизации технологического процесса. Плазма является мощным и в то же время неустойчивым инструментом. Любое С.В. Бадмаева, С.Ц. Ханхасаева, Л.В. Серая. Адсорбция катионов железа на глинах различных месторождений Бурятии 15. Barnett J.J, McKee M.L, Stanbury D.M. Acidic aqueous decomposition of thiocyanogen // Inorg. Chem. – 2004. – V.43. – P. 5021-5033.

16. Byerley J.J, Enns K. Electrochemically treating aqueous thiocyanate solutions // Canadian Patent №1188250. – 1985.

17. Цыбикова Б.А., Рязанцев А.А., Ханхасаева С.Ц. и др. Обезвреживание жидких отходов процесса гидрометаллургической переработки золотосодержащих концентратов // Химия в интересах устойчивого развития. – 2000. – T.8, №3. – С. 445-452.

18. Кочанов А.А., Рязанцев А.А., Батоева А.А. и др. Извлечение цианидов из отработанных растворов цианирования флотоконцентратов Холбинского месторождения золота // Химия в интересах устойчивого развития. – 2004. – T.12, №4. – С. 445-450.

19. Батоева А.А., Рязанцев А.А., Асалханов А.А. и др. Способ обезвреживания цианид- и роданидсодержащих сточных вод // Патент РФ № 2310614. – Опубл. 20.11.2007.

20. Lahti M., Viipo L., Jari Hovinen. Spectrophotometric Determination of Thiocyanate in Human Salvia // J. Chem. Ed. – 1999.

– V.76, №9. – P. 1281.

21. ПНДФ 14.1:2.56-96. Методика выполнения измерений массовой концентрации цианидов в природных и сточных водах фотометрическим методом с пиридином и барбитуровой кислотой.

22. Лурье Ю. Ю., Рыбникова А.И. Химический анализ производственных сточных вод. – М.: Химия, 1974. – 446 с.

23. Figlar J.N., Stanbury D.M. Thiocyanogen as an Intermediate in the Oxidation of Thiocyanate by hydrogen Peroxide in Acidic Aqueous Solution // Inorg.Chem. – 2000. – V.39. – P. 5089-5094.

24. Просяников Е.Д., Цыбикова Б.А., Батоева А.А., Рязанцев А.А. Извлечение цианистого водорода из отработанных растворов цианирования сульфидных флотоконцентратов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2009. – №1. – С. 98-105.

25. Gregory K. Druschel, Robert J. Hamers, Jullian F. Banfield. Kinetics and mechanism of polythionate oxidation to sulfate at low pH by O2 and Fe3+// J. Geochimica et Cosmochimica Acta. – 2003. – V.67, №23. – P. 4457-4469.

26. Breuer P.L., Jeffrey M.I. Copper catalysed oxidation of thiosulfate by oxygen in gold leach solutions // J. Minerals Engineering. – 2003. – №16. – P. 21-30.

27. Просяников Е.С., Цыбикова Б.А., Батоева А.А., Рязанцев А.А. Способ очистки сточных вод от тиоцианатов // Патент РФ № 2389695. – Опубл. 20.05.2010.

28. Кочанов А.А., Рязанцев А.А., Батоева А.А. Интенсификация массообменных процессов при обезвреживании технологических растворов цианирования // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2002. – №4. – С. 103-109.

Батоева Агния Александровна, кандидат технических наук, зав. лабораторией инженерной экологии, Байкальский институт природопользования СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, Цыбикова Бэлэгма Амоголоновна, кандидат технических наук, научный сотрудник, лаборатория инженерной экологии, Байкальский институт природопользования СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, Будаев Саян Львович, студент, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а Batoeva Agniya Alexandrovna, candidate of engineering, head of laboratory of engineering ecology, Baikal Institute of Nature Management, SB RAS.

Tsybikova Belegma Amogolonovna, candidate of engineering, researcher, laboratory of engineering ecology, Baikal Institute of Nature Management, SB RAS.

Budaev Sayan Lvovich, student, Buryat State University.

УДК 544.723.

АДСОРБЦИЯ КАТИОНОВ ЖЕЛЕЗА

НА ГЛИНАХ РАЗЛИЧНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ БУРЯТИИ

Изучены адсорбционные свойства природных глин различных месторождений Забайкалья по отношению к ионам железа (III). Установлено, что глина Мухорталинского месторождения обладает большей сорбционной способностью по сравнению с глинами других месторождений.

Ключевые слова: адсорбция, ионы железа (III), глина.

IRON CATIONS ADSORPTION ON CLAYS OF DIFFERENT DEPOSITS OF BURYATIA

The adsorptive properties of clays of various Zabaikalian deposits were studied against iron ions (III). It is established that the clay of Mukhortala deposit has more adsorptive capacity in comparison with clays from other deposits.

Keywords: adsorption, iron ions (III), clay.

Тяжелые металлы (Cu, Zn, Cd, Cr, Co, Fe, Ni и др.), поступающие во внешнюю среду, в том числе и в водоемы, представляют серьезную угрозу окружающей среде вследствие их канцерогенного и мутагенного воздействия на живые организмы. Современные технологии не обеспечивают эффекВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА тивной очистки сточных вод от тяжелых металлов. После реагентной обработки, чаще всего применяемой на предприятиях, остаточное содержание металлов достигает 1-5 мг/л, тогда как ПДК для большинства металлов составляет 0,5-0,001 мг/л (ПДК железа 0,3 мг/л) [1]. Для доочистки сточных вод от тяжелых металлов целесообразно использовать адсорбционные методы. Высокой адсорбционной способностью по отношению к катионам металлов обладают глинистые минералы, в частности монтмориллонит, который является естественным экологическим барьером для борьбы с распространением техногенных загрязнений [2]. Применение глинистых минералов для очистки производственных сточных вод, загрязненных ионами тяжелых металлов, экономически целесообразно вследствие их доступности и относительной дешевизны.

Целью данной работы является исследование адсорбционных свойств природных глин различных месторождений (Бурятия) по отношению к ионам железа (III).

Экспериментальная часть Для исследований были использованы монтмориллонитовые фракции глин, которые были отделены из глин Мухорталинского, Тарятского и Тулдонского месторождений Республики Бурятия методом отмучивания [3]. Глины были прокалены при температурах 200 и 500оС. Количество адсорбированных ионов железа определяли по убыли концентрации ионов Fe3+ в растворе. Количественное определение железа в растворах осуществляли сульфосалициловым методом [4].

Результаты и обсуждение Исследования сорбционных свойств природных глин по отношению к ионам железа в зависимости от значений рН показали, что наибольшая сорбция ионов Fe3+ происходит при значении рН 2.9, когда ионы железа в растворе существуют преимущественно в виде частиц FeOH2+ и Fe(OH)2+. Адсорбция ионов Fe3+ при рН 2.7 относительно низкая по сравнению с адсорбцией при более высоких значениях рН, что может быть обусловлено конкуренцией между протонами и катионами металлов.

При увеличении рН выше 2.9 возрастает степень полимеризации ионов железа, что может приводить к осаждению ионов железа в виде гидроксида Fe(OH)3 [6].

При адсорбции из раствора, содержащего 56 мг/л ионов Fe3+, загрузке сорбента 5 г/л, рН 2.9 количество адсорбированных ионов железа на природных глинах Мухорталинского, Тарятского и Тулдонского месторождений, высушенных при 104оС, составляет 9.6, 9.0 и 8.2 мг/г, соответственно, что составляет 84, 79, 72% от начального количества ионов железа в растворе (рис. 1). Большее значение сорбции Fe3+ на глине Мухорталинского месторождения согласуется с величиной катионообменной емкости (КОЕ) глины, которая была определена по адсорбции катионов аммония. Величины КОЕ природных глин равны 0.89 (Мухорталинская глина), 0.76 (Тарятская) и 0.73 мг-экв/г (Тулдонская).

Рис. 1. Адсорбция ионов Fe (III) на природных глинах различных месторождений, высушенных при 104оС Увеличение температуры термообработки природных глин от 20 до 200оС приводило к увеличению адсорбционной способности по отношению к ионам Fe3+, что обусловлено удалением межслоевой воды, приводящим к увеличению объема пор и освобождению активных центров. В то же время С.В. Бадмаева, С.Ц. Ханхасаева, Л.В. Серая. Адсорбция катионов железа на глинах различных месторождений Бурятии повышение температуры до 500оС снижает сорбционные свойства глин вследствие образования нерасширяющейся структуры (рис. 2).

Исходя из полученных данных, проведена адсорбция ионов Fe3+ на глинах различных месторождений, прокаленных при 200оС (рис. 3). Показано, что адсорбционная способность природных глин увеличивается в ряду: Тарятская глина < Тулдонская глина < Мухорталинская глина.

Таким образом, из глин месторождений Бурятии наибольшей адсорбционной способностью по отношению к ионам железа (III) обладает глина Мухорталинского месторождения.

Адсорбционная емкость, мг/г Рис. 2. Кинетические кривые адсорбции ионов Fe (III) (мг/г) Рис. 3. Адсорбция ионов Fe(III) на природных глинах на природной глине Мухорталинского месторождения при 200оС; 3 – 500оС (Снач Fe3+ – 56 мг/л, загрузка сорбента г/л, рН 2.9) Литература 1. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения. – М., 2002. – 37 c.

2. Cooper C. and Ouki S.J. Preliminary evaluation of polymeric Fe- and Al-modified clays as adsorbents for heavy metal removal in water treatment // Chem. Technol. Biotechnol. – 2002. – V.77. – P. 546-551.

3. Горбунов Н.И. Высокодисперсные минералы и методы их изучения. – М.: Изд-во АН СССР. – 1963. – 302 с.

4. Ханхасаева С.Ц., Батоева А.А. Определение основных характеристик природных вод. – Улан-Удэ: Изд-во Бурят.

госуниверситета. – 2001. – 64 с.

5. Запольский А.К., Баран А.А.. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды: свойства, получение, применение. – Л.: Химия, 1987. – 208 с.

Бадмаева Саяна Васильевна, кандидат химических наук, научный сотрудник, лаборатория инженерной экологии, Байкальский институт природопользования СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8, [email protected] Ханхасаева Светлана Цыреторовна, доктор химических наук, кафедра органической химии, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а Серая Лилия Валентиновна, студент, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а Badmaeva Sayana Vasilievna, candidate of chemistry, researcher, laboratory of engineering ecology, Baikal Institute of Nature Management, SB RAS. 670047, Ulan-Ude, Sakhyanova str, 8.

Khankhasaeva Svetlana Tsyretorovna, doctor of chemistry, department of organic chemistry, Buryat State University. 670000, Ulan-Ude, Smolin str., 24a.

Seraya Liliya Valentinovna, student, Buryat State University. 670000, Ulan-Ude, Smolin str., 24a.

ВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

Источником кремния в термах являются водовмещающие алюмосиликатные породы, господствующие на территории БРЗ. Их растворение происходит с разложением воды. Первоначально при взаимодействии воды с первичными минералами образуется выщелоченный поверхностный слой, в котором катионы замещаются на ион водорода [11]. Уже на этой стадии возможно изотопное фракционирование водорода. Но основное разложение воды происходит при гидролизе алюмосиликатов, продуктами которого являются образующиеся вторичные минералы. На самом начальном этапе – это гидроксиды алюминия (гиббсит), которые сменяются каолинитом, затем монтмориллонитами и т.д.

Возможность фракционирования изотопов воды, как и связь его с переходящей в раствор кремнекислотой, видна на примере реакции гидролиза форстерита и анортита [1]:

Mg2SiO4 + CaAl2Si2O8 + 6H2O + 5CO2 = Al2Si2O5(OH)4 + CaCO3 + 2Mg2+ + 4HCO3– + H4SiO Таким образом, полученные данные по изотопному составу воды изученных термальных источников не расходятся с выводом о ее метеогенном происхождении, но в то же время корреляция изотопных отношений с концентрациями растворенной кремнекислоты дает основание предполагать возможность фракционирования изотопов и кислорода, и водорода в процессе взаимодействия воды с вмещающими породами.

Литература 1. Селецкий Ю.Б., Поляков В.А., Якубовский А.В., Иcаев Н.В. Дейтерий и кислород-18 в подземных водах (массспектрометрические исследования). – М.: Недра, 1973. – 144 с.

2. Ферронский В.И., Дубинчук В.Т., Поляков В.А. и др. Природные изотопы гидросферы. – М.: Недра, 1975. – 280 с.

3. Craig H. Isotopic variation in meteoric waters // Science. – 1961. – V.133. – P. 1702-1703.

4. Ломоносов И.С. Геохимия и формирование современных гидротерм Байкальской рифтовой зоны. – Новосибирск:

Наука, 1974. – 168 с.

5. Основы гидрогеологии. Геологическая деятельность и история воды в земных недрах / отв. ред. Е.В. Пиннекер. – Новосибирск: Наука, 1982. – 240 с.

6. Диденков Ю.Н., Бычинский В.А., Ломоносов И.С. О возможности существования эндогенного источника пресных вод в рифтовых геодинамических условиях // Геология и геофизика. – 2006. – Т.47, №10. – С. 1114-1118.

7. Плюснин А.М., Чернявский М.К., Перязева Е.Г., Звонцов И.В. Ресурсы, химический и изотопный состав азотных термальных вод Байкальского рифта // Кайнозойский континентальный рифтогенез: материалы симп., посвящ. памяти Н.А.

Логачева. – Иркутск, 2010. – Т.2. – С. 32-36.

8. Замана Л.В., Аскаров Ш.А. Фтор в азотных термах Баунтовской группы (Северное Забайкалье) // Вестник Бурятского гос. ун-та. Сер. Химия. Физика. Вып. 3. – 2010. – С. 8-12.

9. Чудаев О.В. Состав и условия образования современных гидротермальных систем Дальнего Востока России. – Владивосток: Дальнаука, 2003. – 216 с.

10. Чудаева В.А., Чудаев О.В., Юрченко С.Г. Химический и изотопный (18O/16O и D/1H) состав грунтовых вод Центрального и Южного Приморья // Тихоокеанская геология. – Т.27, №6. – С. 57-64.

11. Геологическая эволюция и самоорганизация системы вода–порода. Т.1 / отв. ред. С.Л. Шварцев. - Новосибирск: Издво СО РАН. – 2005. – 244 с.

Замана Леонид Васильевич, кандидат геолого-минералогических наук, зам. директора, Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, Чита, [email protected] Zamana Leonid Vasilievich, candidate of geology and mineralogy, deputy director, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology SB RAS, Chita.

УДК 550.

ОЦЕНКА ГЛУБИННЫХ ТЕМПЕРАТУР ТЕРМАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ХАНГАЯ

И ВОСТОЧНОГО САЯНА С ПОМОЩЬЮ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ГЕОТЕРМОМЕТРОВ

П.С. Бадминов, Д. Ганчимэг, А.И. Оргильянов, И.Г. Крюкова, Д. Оюунцэцэг Проведено газово-геохимическое и температурное опробование более 20 термальных источников Хангая и Восточного Саяна с целью получения сведений о тепловом состоянии гидросферы и использования геотермальной энергии.

Ключевые слова: термальные источники, геотермометры, геотермальная энергия.

П.С. Бадминов, Д. Ганчимэг, А.И. Оргильянов, И.Г. Крюкова, Д. Оюунцэцэг. Оценка глубинных температур термальных источников Хангая и Восточного Саяна с помощью гидрохимических геотермометров

EVALUTION OF THERMAL SPRINGS OF KHANGAI AND EASTERN SAYAN

DEPTH TEMPERATURE USING HYDROCHEMICAL GEOTHERMOMETERS

P.S. Badminov, D. Ganchimeg, A.I. Orgilyanov, I.K. Krukova, D. Oyuntsetseg Gas-geochemical and temperature tests of more than 20 thermal springs were carried out in Khangai and Eastern Sayan in order to obtain the data on thermal state of hydrosphere and use of geothermal energy.

Keywords: thermal springs, geothermometer, geothermal energy.

Использование теплового потенциала гидротерм как экологически чистого и практически неиссякаемого источника для нужд энергетики и коммунального хозяйства широко распространено в мировой практике, особенно в таких странах, как Исландия, Япония и Новая Зеландия. Низкотемпературные воды (до 100оС) находят применение в промышленности, бальнеологии, сельском и коммунальном хозяйстве. Термальные воды с температурой выше 100оС используются для выработки электроэнергии. Термальные источники Хангая и Восточного Саяна имеют температуру на поверхности до 90оС, однако их глубинные температуры могут быть значительно выше. Глубинными называются температуры гидротерм на глубине их формирования, характеризующие уровень, на котором глубинный теплоноситель оказывает воздействие на циркулирующие в верхних горизонтах коры подземные воды [1]. Термальные источники Хангая и Восточного Саяна представляют собой гидротермальные системы, заключенные в рамках отдельных геологических структур, формирующиеся либо при нагревании вод в региональном тепловом поле в результате их глубокой циркуляции, либо при дополнительном поступлении в водоносные горизонты глубинного тепла, приносимого магмой или надкритическим флюидом [2]. Глубинные температуры, как геотермический параметр, позволяют оценить термальное состояние недр и перспективность использования гидротермальных систем.

Фактический материал и методика исследования В период 1998-2010 гг. нами проведено газово-геохимическое и температурное опробование более 20 термальных источников Хангая и Восточного Саяна с целью получения сведений о тепловом состоянии гидросферы. Опробование включало в себя отбор проб воды на макро- и микрокомпоненты, газовый состав и измерение температуры воды. Пробы на микрокомпоненты отфильтровывались через фильтры и подкислялись азотной кислотой. Определение их химического состава производилось методом ICP-MS в Институте геохимии CO РАН. Определение макрокомпонентов Na, K, Ca, Mg, HCO3, SO4, Cl и других проводили по стандартным методикам, анализ газа методом газовой хроматографии в гидрохимической лаборатории Института земной коры CO РАН. Измерения температуры воды проводились электронными и ртутными термометрами с погрешностью измерения 0,1-0,3оС.

Температурные замеры не всегда позволяют определить причины наблюдаемых термоаномалий и влияние экзогенных и эндогенных факторов. Оценить их роль можно, привлекая данные о температурных условиях на глубине формирования термальных вод.

Наиболее точные представления о глубинных температурах дают замеры в глубоких скважинах, однако такими сведениями мы не располагаем. Для оценки глубинных температур применена методика, использующая данные о химическом составе гидротерм. Теоретически и экспериментально установлена зависимость концентрации кремнезема и соотношения ряда щелочных металлов от температуры термальных источников, позволяющая по концентрации того или иного компонента оценить температуру на глубине формирования гидротерм, исходя из предположения о равновесии в системе «вода-порода-газ» и отсутствии значительного осаждения или растворения данного компонента по пути миграции из зоны нагрева к выходу источника на дневную поверхность [3-6]. Достигнув определенного уровня по концентрации кремнезема и щелочных металлов, термальные воды достаточно длительное время сохраняют эту концентрацию при охлаждении гидротерм. Это явилось основой для создания кремниевого и катионных геотермометров. Кремниевый геотермометр с успехом применялся на Камчатке [7] и в других районах мира [8, 9]. Однако растворимость кремнезема зависит кроме температуры и от других факторов, в частности, от формы кремнезема и содержания в водах углекислоты. Роль углекислотного выщелачивания в области высоких температур снижается, а в области низких температур этот процесс играет значительную роль. Дислер [3] рассмотрел поведение различных форм кремния как в жидкой воде, так и в виде минералов при различных Р-Т условиях. Им выполнена типизация термальных вод по составу и температуре, отраженная кривыми регрессии, причем для каждой линии расчет температур ведется с учетом форм кремнистых соединений. Фурнье,

ВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

Роу и Трусделл [10, 11] предложили аналитическое выражение этих кривых в виде формул для аморфного кремнезема, -кристобалита, -кристобалита, халцедона, кварца при адиабатическом и кондуктивном охлаждении. Глубинные температуры по кремниевому геотермометру рассчитаны по формуле Фурнье-Трусделла, соответствующей кривой растворимости халцедона и применяемой для низкотемпературных (tповех< tкип) и малодебитных систем:

tформ. = 1051,1/(4,655 – lgSiO2) – 273, где содержание SiO2 выражено в мг/л.

Эта формула является наиболее подходящей для гидротермальных систем Хангая и Восточного Саяна, так как температура термальных источников не выше температуры кипения, дебиты не столь значительны, а в геологическом разрезе установлено присутствие халцедона. Для сравнения нами рассчитаны глубинные температуры по соотношениям концентраций щелочных металлов в водном растворе Na-Li, Mg-Li, Na-K, Na-K-Ca (катионные геотермометры) [5, 6, 12]. Наиболее надежным оказался Na-K-Ca-геотермометр, менее чувствительный к процессам смешения термальных вод с метеорными, так как в расчетной формуле используются не абсолютные величины химических элементов, а их соотношения:

tформ = 1647/(lg(Na/K) + lg(Ca1/2/Na) + 2,24) – 273, где Na, K, Ca – концентрации ионов соответствующих элементов, моль/л, – константа, зависящая от стехиометрических коэффициентов реакции и равная при t < Глубина формирования гидротерм определяется по соотношению:

hформ. = tформ по SiO2/, где = 25оС/км – средний геотермический градиент региона.

Значение геотермического градиента принято с учетом теплопроводности магматических и метаморфических пород в горных районах Южной Сибири.

Результаты и их обсуждение Значения температур, полученные по этим геотермометрам, при сравнении оказываются близкими (табл. 1).

Прогнозные температуры глубинных вод по кремниевому и катионному геотермометрам Гидротермальная система Восточного Саяна Гидротермальная система Хангая П.С. Бадминов, Д. Ганчимэг, А.И. Оргильянов, И.Г. Крюкова, Д. Оюунцэцэг. Оценка глубинных температур термальных источников Хангая и Восточного Саяна с помощью гидрохимических геотермометров Рис. График связи прогнозных глубинных температур t (C), SiO2 по t (C) Na-K-Ca Различия в среднем по геотермальным системам не превышают 35оС. Кроме того, разность t = tформ.,оС по SiO2 – tформ.оС по Na-K-Ca имеет, как правило, один и тот же знак. Отклонения фигуративных точек от общего тренда можно объяснить смешением восходящих гидротерм с близповерхностными холодными водами и сильным влиянием углекислоты в диапазоне низких температур (рис.).

Возможно, это отражает установившееся равновесие в системе «вода-порода-газ». Однако имеются и существенные различия, в первую очередь они связаны с геологическим строением территорий. В Восточном Саяне широко распространены карбонатные породы, тогда как в Хангае их практически нет. Отсюда различия в газовом и химическом составе гидротерм. Гидротермальная система Хангая представлена азотными водами сульфатно- гидрокарбонатного натриевого состава, а гидротермы Восточного Саяна являются уже углекисло-азотными гидрокарбонатными смешанного анионного состава.

Как отмечалось ранее, наличие углекислоты оказывает существенное влияние на точность расчетов, особенно в диапазоне низких температур, поэтому разброс значений по гидротермальной системе Восточного Саяна выше, чем по гидротермам Хангая. Глубины формирования гидротерм также имеют различия. Если гидротермальная система Хангая имеет глубину формирования термальных вод в диапазоне 5-6 км, то гидротермы Восточного Саяна формируются в более широком диапазоне 0,75-5,0 км. Пространственное совпадение гидротермальных систем с районами проявления молодого вулканизма свидетельствует об их возможной связи с единым источником тепла, а именно аномальный разогрев корового субстрата связан с подлитосферными плюмоподобными аномалиями [13]. В Восточном Саяне вулканический след термоаномалии смещен в сторону Тывы, поэтому и глубины формирования гидротерм находятся в более широком диапазоне.

Оценка глубинных температур гидротерм с помощью гидрохимических геотермометров показывает перспективность гидротермальных систем Хангая и Восточного Саяна для использования геотермальной энергии.

Литература 1. Elder J.W. Terrestrial heat flow // Geophis. Monogr. – Baltimore. – 1965. – №8. – 150 с.

2. Кононов В.И. Геохимия термальных вод областей современного вулканизма. – М.: Наука, 1983. – 215 с.

3. Дислер В.Н. Происхождение и практическое использование кремнистых пород. – М.: Наука, 1987. – С. 128-140.

4. Fouillac C., Michard G. Sodium/Litium ratio in water applied to geothermometry of geothermal reservoirs // Geochemics. – 1981. – V.10. – P. 55-57.

5. Fournier R.O., Truesdell A.H. An empirical Na-K-Ca chemical geothermometr for natural waters // Geochim. Cosmochim.

Acta. – 1973. – V.37. – P. 1255-1275.

6. Kharaka Y.K., Mariner R.N. Thermal History of Sedimentary Basins, Methods and Case Histiries. NY: Spring.-Verlag, 1989.

– P. 99-117.

7. Ильин В.А., Кононов В.И., Поляк Б.Г., Козловцева С.В. Оценка глубинных температур с помощью гидрохимических показателей // Геохимия. – 1979. – №6. – С. 888-901.

8. Hamza V.M., Eston S.M. Assessment of geothermal resources of Brazil // Zb. geol. palaeontol. – 1983. – T.1. – P. 717-728.

9. Swanberg C.A., Morgan P. The linear relation between temperatures based от the silicia content of groundwater and regional heat flow: а new heat flow map of the United States // Pure and Apll. Geophys. 1980. – V.117. – P. 227-241.

ВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

10. Fournier R.O. Rowe J.J. Amer. Mineralogist. – 1962. – V.47, №7. – Р. 122-125.

11. Truesdell A.H. Geochemical techniques in exploration. – Proc. Soc. United. Nat. Sumpos. Develop. and Use of Geotherm.

Res. San Francisko. Сalifornia. USA. – 1976. – V.1.

12. Fournier R.O. Potter R.W. A magnesium correction for the Na-K-Ca geothermometer // Geochim. Et Cosm. Asta. – 1979. – V.43. – P.1543-1550.

13. Рассказов С.В. Сопоставление вулканизма и новейших структур горячих пятен Йеллоустоуна и Восточного Саяна // Геология и геофизика. – 1994. – №10. – С. 67-75.

Бадминов Прокопий Сократович, ведущий инженер, лаборатория гидрогеологии и охраны подземных вод, Институт земной коры СО РАН, 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 128, т. Ганчимэг Дармаа, кандидат геолого-минералогических наук (PhD), старший научный сотрудник, лаборатория гидрохимии и минералогии, Институт химии и химических технологий АН Монголии, 210351, Улаанбаатар, пр. Мира, Монголия, [email protected] Оргильянов Алексей Июльевич, главный специалист, лаборатория гидрогеологии и охраны подземных вод, Институт земной коры СО РАН, 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, Крюкова Ирина Георгиевна, ведущий инженер, лаборатории гидрогеологии и охраны подземных вод, Институт земной коры СО РАН, 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 128, [email protected] Оюунцэцэг Долгоржав, магистр (Mc.S), научный сотрудник, лаборатория гидрохимии и минералогии, Институт химии и химических технологий АН Монголии, 210351, Улаанбаатар, пр. Мира, Монголия Badminov Prokopiy Sokratovich, leading engineer, laboratory of hydrogeology and protection of groundwater, Institute of Earth's Crust SB RAS.

Ganchimeg Darmaa, candidate of geology and mineralogy, (PhD), senior researcher, laboratory of hydrochemistry and mineralogy, Institute of Chemistry and Chemical Technologies MAS. Mongolia, 210351, Ulaanbaatar, Mir ave.

Orgilyanov Alexey Iul'evich, chief specialist, laboratory of hydrogeology and protection of groundwater, Institute of Earth's Crust SB RAS.

Krukova Irina Georgievna, leading engineer, laboratory of hydrogeology and protection of groundwater, Institute of Earth's Crust SB RAS.

Oyuntsetseg Dolgorzhav, master (McS), researcher, laboratory of hydrochemistry and mineralogy, Institute of Chemistry and Chemical Technologies MAS. Mongolia, 210351, Ulaanbaatar, Mir ave.

УДК 577.151.

БИОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КУЛЬТУРЫ Um-09m

А.А. Раднагуруева, Е.В. Лаврентьева, Б.Б. Намсараев, Я.Е. Дунаевский Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №10-04-90798_моб_ст, №10-04-93169_Монг_а, МО РФ РНП 2.1.1/2165, программы "Фундаментальные исследования и высшее образование" (НОЦ-017 "Байкал") Изучена биохимическая характеристика культуры Um-09m. Показано, что культура обладает высокой субтилизиноподобной активностью. Протеаза стабильна в широком диапазоне температур от 23 до 60оС и рН от 7,52 до 11,41.

Ключевые слова: щелочные гидротермы, протеазная активность, субстратная специфичность, ингибиторный анализ.

BIOCHEMICAL CHARACTERISTIC OF Um-09m STRAIN

A.A. Radnagurueva, E.V. Lavrentieva, B.B. Namsaraev, Ya.E. Dunaevskiy Biochemical characteristic of Um-09m strain has been studied. It is shown, that strain possesses high subtilisin-like activity. Protease is stable in a wide range of temperatures from 23 to 60оС and рН from 7.52 to 11.41.

Keywords: alkaline hydrotherm, protease activity, substrate specificity, inhibitor analysis.

В последние годы микроорганизмы, обитающие в экстремальных условиях, находятся в центре внимания исследователей. Большой интерес ученых вызывает изучение механизмов биохимической адаптации микроорганизмов к экстремальным условиям окружающей среды [1].

В гидротермах Бурятии широко распространены микроорганизмы – потенциальные продуценты ферментативных систем, устойчивые к высоким значениям температуры и рН. Исследования по выделению, идентификации и классификации ферментов в последние годы проводятся особенно интенсивно, что объясняется востребованностью и многообразием протеолитических ферментов. Они играют ключевую роль в использовании микроорганизмами органических субстратов [2].

ВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

не было зарегистрировано отложений карбоната кальция, то накопление этого соединения на стенках обсадных труб представляется маловероятным. С другой стороны, термальные углекислые воды, как правило, пересыщенные карбонатом кальция (например Шумак), при выходе на поверхность являются источниками образования травертинов. Несомненно, подобный процесс минералообразования имеет место при каптировании скважин, и обсадные трубы будут быстро выходить из строя в связи с обрастанием их внутренних стенок травертинами.

Многочисленными исследованиями минеральных вод убедительно показано, что эти природные растворы представляют большую ценность не только для бальнеологии. В определенных условиях они могут участвовать в формировании различных месторождений полезных ископаемых или, наоборот, являться индикаторами на скрытые оруденения, представляя тем самым большой интерес для геохимии и геологии.

Литература 1. Посохов Б.В. Минералообразование как фактор метаморфизации природных вод // Гидрохимические материалы. – 1964. – Т.38. – C. 91-105.

2. Посохов Б.В. Формирование химического состава подземных вод. – Л.: Гидрометеоиздат, 1969. – 333 с.

3. Левченко В.М. Теоретические основы физико-химического исследования природных вод // Гидрохимические материалы. – 1996. – Т.45. – C. 123-132.

4. Левченко В.М., Шпейзер Г.М., Селина Н.А. Карбонатно-кальциевое равновесие в некоторых минеральных водах Восточного Саяна // Гидрохимические материалы. – 1970. – Т.53. – C. 3-7.

5. Левченко В.М., Шпейзер Г.М., Селина Н.А. Карбонатно-кальциевое равновесие Шумакских минеральных углекислых вод // Гидрохимические материалы. – 1971. – Т.57. – C. 123-133.

6. Алекин О.А. Основы гидрохимии. – Л.: Гидрометеоиздат, 1970. – 443 с.

7. Коротков А.И., Михайлов А.С. Гидрохимический метод в геологии и гидрохимии. – Л.: Недра, 1972. – 181 с.

8. Матвеева Н.Н., Левченко В.М. Влияние образования ионных пар на степень насыщенности карбонатом кальция природных вод // Гидрохимические материалы. – 1973. – Т. 59. – С. 127-134.

9. Брусиловский С.А. О миграционных формах элементов в природных водах // Гидрохимические материалы. – 1963. – Т.35. – С. 13-16.

10. Гаррелс Р. М., Крайст Ч.Л. Растворы, минералы равновесия. – М.: Мир, 1968. – 367 с.

11. Заводнов С.С. Карбонатное и сульфидное равновесия в минеральных водах. – М.: Гидрометеоиздат, 1965. – 119 с.

12. Шпейзер Г.М., Родионова В.А., Смирнов А.И. и др. Минеральные воды Восточной Сибири // Перспективы развития восстановительной медицины в Сибирском регионе: всерос. науч.-практ. конф. – Белокуриха, 2009. – С. 233.

13. Шпейзер Г.М. Гидроминеральные ресурсы Байкальского региона // Евразийское пространство: Опыт экологического законодательства: мат-лы междунар. науч. конф. – Иркутск, 2004. – С. 253-275.

Шпейзер Григорий Моисеевич, профессор, зав. кафедрой водных ресурсов ЮНЕСКО, Иркутский государственный университет, 640003, Иркутск, ул. К. Маркса, 1, [email protected] Shpeizer Grigoriy Moiseevich, professor, head of department of water resources of UNESCO, Irkutsk State University. 640003, Irkutsk, K.Marks str., 1.

УДК 550.42(571.54+517)

СОДЕРЖАНИЕ ОСНОВНЫХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ СЕРЫ

В МИНЕРАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКАХ БУРЯТИИ И МОНГОЛИИ

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ 10-04-93169 Монг_а и МО РФ РНП № 2.1.1/ В минеральных источниках исследовано распределение основных неорганических соединений серы. Сероводород дает начало целому ряду промежуточных и стабильных соединений серы. В воде и осадках, охваченных процессом сульфатредукции, обнаруживаются помимо сульфатов и сероводорода другие соединения серы: сульфиты и тиосульфаты.

Ключевые слова: минеральные источники, сера, сероводород, сульфатредукция, сульфат-ион, тиосульфат-ион и сульфит-ион.

THE CONTENT OF BASIC INORGANIC COMPOUNDS OF SULFUR IN MINERAL SPRINGS

OF BURYATIA AND MONGOLIA

Distribution of basic inorganic compounds of sulfur in mineral springs is investigated. Hydrogen sulphide gives rise to variety of intermediate and stable compounds of sulfur. In water and deposits, captured by process of sulfate reduction, are found together with sulphates and hydrogen sulphide other compounds of sulfur - sulphites and thiosulphites.

Keywords: mineral springs, sulfur, hydrogen sulphide, sulphate reduction, sulphate-ion, thiosulphate-ion and sulphite-ion.

Д.Д. Бархутова, А.В. Тудупов, Б.Б. Намсараев. Содержание основных неорганических соединений серы в минеральных источниках Бурятии и Монголии Минеральные воды представляют собой сложные многокомпонентные растворы, содержащие ионы и недиссоциированные молекулы элементов или их соединений, газы и органические вещества.

Они возникают как в результате взаимодействия воды с вмещающими горными породами, так и вследствие поступления отдельных составных частей из глубинных зон земли. Кислотно-основные условия определяют нормы миграции элементов и соотношение между процессами перехода химических элементов в минеральные воды и осаждения их и вод.

Бурятия и Монголия богата минеральными подземными водами самого различного состава. Сероводородные источники широко распространены среди азотных терм Байкальской гидроминеральной области. Они различаются по гидрохимическим параметрам, катионно-анионному и газовому составу. Источники являются местами обитания микроорганизмов, которые активно участвуют в преобразовании качественного и количественного состава минеральных вод и играют большую роль в формировании ее бальнеологических свойств. Минеральные источники имеют большое лечебное значение, являются перспективными для добычи из них некоторых полезных ископаемых и для использования в качестве энергетического сырья.

Целью данной работы было сравнительное изучение основных неорганических соединений серы (сероводород, сульфиды, тиосульфаты, сульфиты) в воде сероводородных минеральных источников Бурятии и Монголии.

Объекты и методы исследования Объектами исследования являлись сероводородные источники Кучигер, Умхей, Алла, Бахлайта (Прибайкалье, Бурятия) и Шаргалжут, Хужиртэ, Дэвсэн Булаг (Монголия).

Температуру воды измеряли сенсорным электротермометром Prima (Португалия). Значения pH определяли потенциометрически при помощи портативного рН-метра (pHep2, Португалия). Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) измеряли при помощи портативного измерителя redoxпотенциала ORP (Португалия). Минерализацию минеральных вод определяли портативным тестеркондуктометром TDS-4.

Метод определения содержания сульфидов основан на осаждении сероводорода и его солей с образованием нерастворимых в воде сульфида кадмия, осадок которого растворяют в диметилпарафинелендиамине. Концентрацию сероводорода и сульфидов определяли калориметрическим методом с добавлением железо-аммонийных квасцов FeNH4(SO4)2. Экстинцию измеряли на спектрофотометре при длине 670 нм [1]. Содержание сульфатов определяли турбидиметрическим методом [2].

Сульфиды, сульфиты и тиосульфаты при их совместном присутствии можно определить методом, основанном на том, что сульфиды осаждаются солями цинка и кадмия в виде ZnS и CdS, а сульфиты и тиосульфаты не осаждаются этими солями.

Результаты и обсуждение Основными источниками пополнения естественных ресурсов современных гидротерм являются атмосферные осадки, поверхностные и подземные воды. Часть метеорных вод, идущая на пополнение ресурсов гидротерм, вступает в длительный круговорот, захватывающий глубокие зоны земной коры, и, смешиваясь с поступающими снизу водными флюидами, формирует пеструю гамму теплых и горячих источников различного химического состава. Еще большую роль в разбавлении современных гидротерм играют поверхностные и подземные холодные воды, в значительной степени определяющие их гидрохимический облик при выходе на поверхность.

За последнее время заметно возрос интерес исследователей к изучению термальных источников.

Среди минеральных вод, имеющих температуру более 20оС и относящихся к термальным, в Прибайкалье наибольшим распространением пользуются азотные термы. Они обладают рядом характерных признаков и свойств и прежде всего небольшой общей минерализацией, позволивших еще в прошлом столетии выделить их в отдельный тип так называемых акратотерм, или «простых термальных вод».

В зависимости от наличия бальнеологически активных компонентов среди горячих вод, газирующих азотом, выделено три разновидности: кремнистые, радоновые и кремнистые сероводородные. Кремнистые сероводородные термы распространены на северо-востоке Бурятиии на территории Монголии [4, 5].

При проведении полевых исследований сероводородных источников Прибайкалья и Монголии были определены in situ температура, активность среды (рН), окислительно-восстановительный потенциал (Eh) и минерализация. Температура воды в выходах термальных источников изменялась в широких пределах. Наиболее горячими были воды источника Шаргалжут, температура которого достигала 90 °С. В гидротерме Хужиртэ температура воды в изливе была равна 70 оС, а в правобережном

ВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

– 45 °С. Низкие температуры в выходах, разгружающихся в русле реки, связаны с перемешиванием термальных вод с речными. Минеральные воды родников источника Кучигер имели температуру 30С, а источника Умхей – 41,7-47,6 оС (табл. 1). Воды термальных сероводородных гидротерм имели щелочную реакцию. Значение рН варьировало от 8,0 до 9,2. В источниках Кучигер и Умхей отмечены наиболее низкие значения окислительно-восстановительного потенциала, что характерно для вод, содержащих свободный сероводород. Минерализация исследуемых минеральных вод находилась в пределах 0,3-0,5 г/л. Наиболее минерализованными были воды термальных источников Кучигер и Умхей.

Физико-химическая характеристика минеральных источников Бурятии и Монголии М – минерализация; Eh – окислительно-восстановительный потенциал Температура воды в изливе холодного сероводородного источника Бахлайта-2 была 3,0 °С, а в изливе воды источника Дэвсэн Булаг – 4,2 °С в 2002 г. и 5,2 °С в 2003 г. Активная реакция среды воды в воде скважины Бахлайта-2 составляла 8,18, а Дэвсэн Булага в 2002 и 2003 гг. – 7,1 и 8,3, соответственно. Окислительно-восстановительный потенциал в воде Бахлайта 2 был равен +55 мВ, а источника Дэвсэн Булаг -23 мВ и -65 мВ (2002 и 2003 гг., соответственно). Минерализация воды в исследуемых источниках была равна 0,36 (Бахлайта) и 0,8-1,7 г/дм3 (Дэвсэн Булаг) (табл. 1).

Источниками всех форм серы в осадках являются растворенные сульфаты наддонной воды, вулканические породы, содержащие серу в виде сульфидов; карбонатные скелеты организмов, содержащие в своем составе переменное количество сульфата; минеральная взвесь, содержащая сульфаты в обменном и связанном состоянии [6]. В ходе восстановления сульфатов и при последующем метаболизме сероводорода в донных отложениях обнаруживаются следующие формы серы: сульфидная, элементная, пиритная и органическая, кроме того, в осадках всегда присутствуют остаточные сульфаты. В иловых водах осадков, охваченных процессом сульфатредукции, обнаруживаются помимо сульфатов и сероводорода другие соединения серы: сульфиты и тиосульфаты. Сероводород, образующийся в осадках, дает начало целому ряду промежуточных и стабильных соединений серы в осадках и пропитывающих их иловых водах [7]. Количество свободного сероводорода в осадках изменяется от нуля до более 100 мг/дм3 иловой воды в зоне восстановленных осадков. Содержание свободного сероводорода в осадках характеризует два одновременно протекающих процесса. Первый – это генерация сероводорода при бактериальном процессе восстановления сульфатов воды; второй – связывание сероводорода реакционно-способным железом или его превращение в неорганические и органические производные, главным образом в сульфиды железа.

Сероводород является одной из многочисленных форм присутствия серы в подземных водах (SO42S2O32-, SO32-, HSO4-, HS-, H2S). Общее содержание сероводорода в подземных водах обычно не превышает 50 мг/дм3, но в отдельных нефтегазовых месторождениях поднимается до 1000-3000 мг/дм [8]. Наличие сероводорода в термальных водах неоднократно отмечалось многочисленными исследователями, но до последнего времени количественное определение его было выполнено лишь в единичных случаях. Характерной особенностью исследованных источников является присутствие сероводорода в воде, концентрация которого варьировала в гидротермах от 0,74 до 31,0 мг/дм3, в холодД.Д. Бархутова, А.В. Тудупов, Б.Б. Намсараев. Содержание основных неорганических соединений серы в минеральных источниках Бурятии и Монголии ных минеральных водах 16,5 до 123,5 мг/дм3. Максимальная концентрация сероводорода определена в холодном источнике Дэвсэн Булаг. Наибольшее количество сероводорода в гидротермах выявлено в источнике Умхэй. Высокие концентрации сероводорода (10,0-15,0 и 15,0-16,5 мг/дм3) зафиксированы в источниках Шаргалжут и Алла, соответственно.

Известно, что сероводород в воде существует в трех формах: в виде растворенного в воде газа (свободный сероводород), гидросульфидных (HS-) и сульфидных (S2-) ионов. Все эти формы находятся между собой в равновесии: H2S H+ + HS-; HS- H+ + S2-, состояние которого определяется активной концентрацией водородных ионов. Так как все современные гидротермы рифта являются щелочными (рН>7,0), то преобладающей формой сероводорода в них, согласно произведенным расчетам, является гидросульфидная.

Что же касается генезиса сероводорода, то главным источником его являются биохимические процессы, приводящие, в частности, к разложению серосодержащих белковых тел и восстановлению сульфатов различными десульфидиризаторами. Принятая точка зрения на происхождение сероводорода в термальных водах объясняет его небольшие содержания в термах, так как последние формируются в подавляющем большинстве случаев в изверженных и метаморфических породах, практически лишенных органического вещества и бактериальной жизни. Небольшое содержание сероводорода объясняется и тем, что последний, легко растворяясь в подземных водах, быстро уходит из газовой фазы и разлагается в приповерхностных условиях. Благодаря этому процессу нередко в месте выхода терм образуются иловые сероводородные грязи, как это имеет место, например, на Кучигерском, Умхейском и некоторых других источниках [4, 9].

Микробиологические и геохимические аспекты проблемы восстановления сульфата и образования сероводорода и сульфидов в современных осадках природных вод обсуждаются во многих публикациях геологов, геохимиков, микробиологов. Большинство исследователей признает, что процесс микробиологической сульфатредукции является основным механизмом образования восстановленных серных соединений.

Энергия связи серы и кислорода в SO42- чрезвычайно велика. Поэтому химическое восстановление сульфат-иона (его абиогенная редукция) при невысоких ( GПер > GAл, однако все результаты достаточно близки друг к другу и максимальное расхождение между GФРХ и GAл, наблюдаемое для состава YS не превышает 5%. Концентрационные зависимости упругих модулей и коэффициента Пуассона поликристаллов Sm1-xYxS представлены на рис. 1-2. Как видно из этих рисунков, все модули и коэффициент Пуассона при переходе системы из полупроводникового в металлическое состояние при критической концентрации примеси иттрия (х=0,15) поликристаллического твердого раствора изменяются скачком. Такое поведение характерно для резких фазовых переходов (переходов I рода). Относительное изменение модуля Юнга при переходе составляет 68%, модуля всестороннего сжатия 95%, а модуля сдвига 20%. С ростом концентрации Y функции В(х) и G(х) линейны, а Е(х) демонстрирует слабую нелинейность. Концентрационные зависимости в докритической концентрации убывающие, в закритической – возрастающие, при этом наблюдается резкое снижение коэффициента Пуассона в момент перехода ( 700%). Обращают на себя внимание отрицательные значения коэффициента Пуассона при х=0,150,6. Это свидетельствует о том, что, при данных составах материал при растяжении расширяется, проявляя аномальные ауксетичные деформационные свойства.

На рисунке 3 приведены концентрационные зависимости скоростей звука в сплавах Sm1-xYxS.

Практически во всем диапазоне концентраций между скоростями наблюдается следующее соотношение: L > l > > > t. Наиболее чувствительны к изменению структуры при критической концентрации – скорости распространения продольных (в пространственно-неограниченной среде и стрежне), при этом практически не изменяются среднеквадратичная скорость и скорость распространения поперечных упругих волн. Зависимость от состава самарий-иттриевого сульфида в кубических поликристаллах показана на рис. 4. Функция (х) имеет линейный характер и изменяется скачком при переходе полупроводник–металл.

При низких концентрациях иттрия данная функция – убывающая, при высоких – возрастающая.

При ххс, 0, что свидетельствует о гармонизации межатомных колебаний системы в момент перестройки. Данный факт кажется несколько странным.

Зависимость характеристической температуры Дебая поликристаллов Sm1-xYxS от примесной концентрации Y имеет линейный характер. Возрастание D при увеличении концентрации иттрия свидетельствует о возрастании прочности сил межатомного взаимодействия в исследуемом сплаве.

В, E, G, Рис. 1. Зависимость упругих модулей поликристаллов Sm1-xYxS от примесной концентрации Y:

ВЕСТНИК БУРЯТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

Рис. 2. Зависимость коэффициента Пуассона поликристаллов Sm1-xYxS от примесной концентрации Y Рис. 4. Зависимость параметра Грюнайзена поликристаллов Sm1-xYxS от примесной концентрации Y В.Н. Беломестных, Е.П. Теслева. Упругие свойства поликристаллов сплавов Sm1-XYXS с промежуточной валентностью Рис. 5. Зависимость характеристической температуры Дебая поликристаллов Sm1-xYxS от примесной концентрации Y Заключение На основе сведений о постоянных жесткости и плотности проведен расчет упругих свойств поликристаллических сплавов Sm1-xYxS с промежуточной валентностью. При этом установлено, что большинство характеристик изменяется скачком в окрестности валентного перехода полупроводникметалл, связанного с переходом иона Sm2+ в Sm3+ без изменения симметрии решетки. Данная картина характерна для переходов I рода.

Литература 1. Ефремов В.В., Сидоров Н.В., Борманис К. Упругие характеристики сегнетоэлектрических керамических твердых растворов LixNa1-xTa0,1Nb0,9O3 // Актуальные проблемы физики твердого тела: материалы междунар. науч. конф. (ФТТг. Минск, 20-23 октября 2009 г.). – Минск, 2009. – Т.2. – С. 105-107.

2. Беломестных В.Н., Теслева Е.П. Анизотропия ангармонизма в смешанных кристаллах с промежуточной валентностью // Актуальные проблемы физики твердого тела: материалы междунар. науч. конф. (ФТТ-2009). (г. Минск, 20-23 октября 2009 г.). – Минск, 2009. – Т.2. – С. 195-197.

3. Беломестных В.Н., Теслева Е.П. Анизотропия ангармонизма межатомных колебаний в кристаллах Sm1-xYxS с промежуточной валентностью // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2010. – Т.7, №1. – С. 61-63.