Администрация города Томска
Департамент образования
Муниципальное общеобразовательное учреждение
Лицей при ТПУ
Исследование состава сапропеля озера Кирек Томской области
Исследовательская работа
Выполнила: Свиридова
Елизавета,
ученица лицея при ТПУ,
Научный руководитель:
,
кандидат химических наук,
преподаватель лицея при ТПУ
Томск 2011
К естественным лечебным грязям (сапропелям) относятся природные образования, состоящие из воды, минеральных и органических веществ, представляющие собой однородную пластичную тонкодисперсную массу с определенными тепловыми и физико-химическими свойствами.
В структуре сапропеля выделяют три составные части: кристаллический скелет (остов), коллоидный комплекс и грязевой раствор. Кристаллический скелет ‒ часть грязи, состоящая из неорганических частиц размером 0,001-0,01 мм, которые представляют собой фрагменты горных пород, мелких ракушек, кристаллы солей. Коллоидный комплекс ‒ тонкодисперсная часть грязи, представленная частицами размером менее 0,001 мм (органические вещества, органоминеральные соединения, сера, гидроксиды железа, алюминия и др.) Грязевой раствор ‒ жидкая фаза грязи, являющаяся наиболее активной в терапевтическом отношении частью пелоида, и, состоящая из воды и растворенных в ней минеральных солей, органических веществ и газов. [1]
В Томской области находится 112900 озер, суммарной площадью зеркала воды 4451 км
. Их геологические ресурсы, оцененные по статическому способу, равны 2,8млрд. тонн [2].
Сапропелевые отложения формируются преимущественно в озерах южной части области. В основном это озера слабопроточные или непроточные. Результаты грязеразведочных работ, выполненных ТНИИКиФ, выявили видовое разнообразие сапропелевых отложений и позволили оценить их ресурсы (табл. 1) [3].
Объекты первоочередного освоения сапропелей озер Томской области
Таблица 1
Озеро | Район местонахождения | Общая характеристика | Направление использования | ||||
Разновидность сапропеля | Площадь, км2 | Геологические запасы, тыс. м2 | Приоритетное | Возможное | Перспективное | ||
Кирек | Томский, в 65 км к ЮЗ от г. Томска | Среднезольный карбонатный органожелезистый | 0,49 | 2243 | Лечебные грязи | БАВ | Грязелечение с потребностью 5000 м3/год |
Яково | Томский, в 29 км на СВ от г. Томска | Низкозольный органический | 0,78 | 260 | Удобрения | Кормовые добавки | В качестве сорбента |
Семиозерки | Томский, в 31 км на СЗ от г. Томска | Низкозольный органический | 26 | Удобрения | В качестве сорбента | ||
Темное | Колпашевский, в 3 км от пос. Чажемто | Высокозольный глинистый | 0,045 | 25,7 | Лечебные грязи | БАВ | Грязелечение с потребностью 5000 м3/год |
Круглое | Колпашевский, в 1,5 км от пос. Чажемто | Высокозольный глинистый | 0,032 | 21,1 | Лечебные грязи | ||
Светлое-1 | Колпашевский, в 9 км от г. Колпашево | Низкозольный органический | 1,0 | 25,7 | Кормовые добавки | В качестве сорбента | |
Жарково | Шегарский, в 12 км на СВ от р. ц. Мельниково | Высокозольный смешанный | 0,58 | 907 | Кормовые добавки, БАВ | Удобрения |
Несмотря на большие запасы, ресурсы озерных сапропелей в области практически не востребованы, в основном используются в качестве лечебного сырья. Из таблицы 1 следует, что наиболее выраженной биологической активностью отличаются сапропели озер Семиозерки, Светлое-1, Яково, Карасевое. Повышенное содержание углеродного комплекса в сапропелях Карасевое и Светлое-1 позволяет перерабатывать их на кормовые добавки. Сапропели озер Кирек, Темное, Жарково могут быть рекомендованы в качестве сырья для получения биологически активных веществ лечебно-профилактической и косметической направленности. Сапропели озер Темное и Круглое могут быть рекомендованы в качестве лечебной базы для пансионата «Источник». На территории Колпашевского района в настоящее время разрабатывается единственное месторождение сапропелей оз. Карасевое, для использования их в сельском хозяйстве и в лечебных целях санатория Чажемто. Согласно требованиям к изученности месторождений лечебных грязей выделены два перспективных участка для курортологического освоения ‒ Кирекский и Колпашевский [3].
Наиболее перспективным объектом лечебных грязей является оз. Кирек Томского района, расположенное на юге Томской области в 70 км к юго-западу от г. Томска. Озеро слабопроточное, площадью 0,49 км, имеет неправильную, вытянутую с северо-востока на юг форму. Длина озера 1,45 км, ширина ‒ 0,4 км, средняя глубина ‒ 2,7 м. В центре озера участки глубиной до 7 м. Территория озера Кирек относится к лесоболотной зоне с лесами сосново-березового типа. На всей площади водоема отмечено обильное развитие водной растительности. Геологические запасы сапропеля озера Кирек составляют 2243 тыс. м. В 2000 году выдана лицензия ОАО «Синий утес» на разработку лечебных сапропелей в юго-восточной части озера и на добычу сапропеля ТНИИКиФ.
Благодаря удобному географическому положению на юге области и большим запасам сапропелей, озеро Кирек может стать реальной базой строительства курорта с годовой потребностью 1-5 тыс. м
[4]. Пресноводные озера наиболее чувствительны к загрязнению любого характера, поэтому месторождения лечебных сапропелей целесообразно считать заповедной зоной.
С 2008 года ведется научная работа в МОУ лицее при ТПУ по исследованию сапропелей озера Карасевое. Озеро расположено на севере Томской области в 20 км от п. Чажемто. Сапропели озера Карасевое в течение двух лет исследовала , проживающая в пос. Чажемто, в настоящее время студентка ТПУ.
Из литературных источников следует, что сапропели озера Кирек более востребованы в пелоидетерапии, в связи с этим у нас появился интерес ‒сравнить исследуемые природные источники здоровья. Для этого нужно было исследовать лечебные грязи оз. Кирек. Сапропели были предоставлены нам сотрудниками ТНИИКиФ.
Цель работы:
Исследование состава сапропеля озера Кирек.
Задачи исследования:
1.Освоить физико-химические методы исследования для оценки минеральной составляющей сапропеля;
2. Определить гранулометрический состав пелоида;
3. Исследовать химический состав минеральной составляющей сапропеля;
4. Получить и исследовать грязевой раствор сапропеля. Составить формулу грязевого раствора;
5. Провести термический анализ исследуемого пелоида.
Экспериментальная часть
Сапропели озера Кирек характеризуются слабощелочной средой (pH = 7‒7,6), тонким механическим составом. Нами определен гранулометрический состав сапропеля седиментационным методом на кафедре силикатов ТПУ. Седиментационный метод базируется на различии в скоростях осаждения зерен различной величины в однородной жидкости. При этом допускается, что все частицы анализируемого вещества имеют шаровую форму. В работе использован метод пипетирования, основанный на разделении анализируемого вещества на отдельные фракции и в количественном определении каждой из них. Частицы различной величины осаждаются в жидкости со скоростью пропорциональной квадрату диаметра.
Таблица 2
Продолжительность осаждения минеральных частиц в зависимости от температуры
Диаметр частиц, мм | Глубина взятия пробы, см | Время отбора пробы при 25°C |
0,05 | 25 | 1 мин 37 с |
0,01 | 10 | 16 мин 35 с |
0,005 | 10 | 66 мин 21 с |
0,001 | 7 | 19 час 21 мин |
Скорость осаждения частиц каждой фракции вычисляют по закону Стокса и на основании полученных результатов устанавливают время осаждения частиц и глубину погружения пипетки в суспензию. При отборе пробы скорость осаждения частиц, время отбора и глубина погружения заборного конца пипетки при определенной температуре определялась из таблиц лабораторного практикума.[5]
При отборе первых двух фракций использовались сита 0,25 и 0,063 , последующие фракции исследовались пепитированием. Масса навески для анализа грансостава состовляла 10 г, пробу растворяли в 150 мл воды с добавлением 11 мл 4% дифосфата натрия для разделения органической и минеральной составляющей. Остаток растворенной пробы помещался в цилиндр на 1 литр и через определенное время (таблица 2) проводился отбор фракций. Полученные результаты даны в таблице 3. Для сравнения использованы результаты грансостава озера Карасевое.
Таблица 3
Результаты гранулометрического состава сапропеля оз. Кирек
Содержание частиц различного диаметра (мм),% | ||||||
Размер частиц | 1-0,25 | 0,25-0,06 | 0,06-0,01 | 0,01-0,005 | 0,005-0,001 | <0,001 |
Сапропель оз. Кирек | 2,04 | 16,44 | 24,16 | 15,20 | 35,68 | 6,48 |
Сапропель оз. Карасевое | 45,67 | 21,53 | 26,64 | 2,72 | 1,76 | 2,68 |
Песчаные | пылеватые | Глинистые |
Из литературных данных известно, что лучший лечебный эффект проявляется от пелоидов с диаметром частиц не более 0,025мм, что позволяет им глубоко проникать через сальные и потовые железы кожи человека. Происходит взаимообменный процесс: организм усваивает целебные свойства сапропеля, отдавая накопленные токсины и яды.[6] По результатам анализа гранулометрического состава следует отметить, что сапропели озера Кирек гораздо активнее (до 80% мелких частиц).
Нами проведен химический анализ минеральной составляющей сапропеля. Для этого использовали методику химического анализа силикатов [7].
В начале определили гигроскопическую влагу сапропеля, она составляет 28%. Далее мы определили потери при прокаливании (ППП) – это количество вещества, которое теряет навеска при нагревании до 1000°С. Во время прокаливания происходит разложение целого ряда веществ с выделением газообразных продуктов: окисление органических веществ, удаление гигроскопической и химической связанной воды, разложение карбонатов. Эти процессы сопровождаются потерей массы. По результатам химического анализа потери при прокаливании (ППП) раны 43,85 %. Зольность сапропеля – 56 %. На рис. 1 представлена схема последовательности проведения химического анализа сапропеля.
Рисунок 1
Схема ускоренного химического анализа сапропеля
Используемый метод позволяет количественно оценить содержание оксидов минеральной части. Пробу для химического анализа измельчали до полного прохождения через сито 0,063.Брали навеску 0,5 г, помещали в муфельную печь и прокаливали до 1000°C. Перевод оксидов в растворенное состояние проводили путем сплавления исследуемого вещества с безводной содой (
) и последующим выщелачиваем соляной кислотой. Содержание диоксида кремния определяли методом осаждения кремневой кислоты при нагревании с желатином. После отделения кремневой кислоты в дальнейшей работе используем фильтрат №1 для определения полуторных оксидов 
и 
. Содержание оксида железа (III) оценивали титрованием 0,05 н раствором трилона Б с сульфосалициловой кислотой, оксид алюминия определяли титрованием 0,1 н раствором ZnCl
с карминово-оранжевым индикатором. Далее аммиаком осаждаем полуторные оксиды, получили фильтрат №2, из которого титрованием Трилоном Б определили содержание оксидов кальция и магния.
Данные химического анализа представлены в таблице 4.
Таблица 4
Состав минеральной части сапропеля озера Кирек, озера Карасевое
Содержание минеральной части, % на сухое вещество | |||||||
ППП |
|
|
|
|
|
| |
Сапропели оз. Кирек | 44,05 | 1,68 | 0,82 | 4,59 | 28,51 | 6,35 | 0,18 |
Сапропели оз. Карасевое | 59,40 | 6,27 | 4,32 | 3,70 | 20,36 | 2,21 | 0,24 |
Пределы колебаний [7] | 1-29,2 | 2,16-13,67 | 0,34-5,28 | 3,6-38 | 0,94-2,41 | 0,27-3,13 |
В сапропеле озера Кирек высокий процент оксидов магния и кальция, небольшой процент оксидов кремния и железа. Исследуемый нами сапропель по данным химического анализа, следует отнести к известковистым высокозольным пелоидам.
Нам представилась возможность провести термический анализ сапропеля в интервале температур от 20° до 1000°C. Термический анализ основан на изучении тепловых эффектов, происходящих в результате физико-химических превращений веществ при нагревании [8]. Анализ проводился на приборе STA 449 F3 Jupiter, представляющий собой совмещенный анализатор регистрации массы образца и процессов, сопровождающихся выделением или поглощением тепла. Синхронный термический анализатор позволяет одновременно проводить термогравиметрические и калориметрические измерения на одном образце. Данные термического анализа представлены на рис. 2 (приложение). Кривая убыли масс (TG) указывает на резкое изменение массы от 722 °С, потери массы при разложении сапропеля составляют 43,86 % (что подтверждает данные химического анализа). Кривая тепловых эффектов (кривая DSC) показывает удаление остаточной влаги при 300°C и наглядный пик разложения карбоната при 800° С. Результаты термического анализа указывают, что составной частью сапропеля является мелкодисперсный
.
Особый интерес при исследовании сапропелей представляет грязевой раствор. Грязевой раствор ‒ жидкая фаза грязи, состоящая из воды и растворенных в ней минеральных солей, органических веществ и газов. Его получают путем центрифугирования, отжатия грязи под прессом, фильтрации. Способ получения раствора существенно не влияет на его химический состав. Принято готовить вытяжку из почвы при соотношении 1:5. Было взвешено 30 г сапропеля и помещено в стакан емкостью 250 мл, налито 150 мл дистиллированной воды. Перемешивали на магнитной мешалке 30 мин, затем фильтровали через плотный фильтр до прозрачного раствора.
Содержание ионов в грязевом растворе определяли методом титрования (
,
,
,
,
) и фотоколориметрией (
,
,
,
,
).На качественном уровне определили наличие гуминовых кислот и фульвокислот[9].
Данные химического анализа представлены в таблице 5.
Таблица 5
Химический состав грязевого раствора сапропеля оз. Кирек
Содержание ионов в мг/литр | ||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Гуминовые кис-ты | Фульво-кислоты |
22,72 | 92 | 10,8 | - | 152,5 | 8.74 | - | 1,15 | 131,75 | 0,005 | 0,05 | + | + |
Была определена перманганатная окисляемость грязевого раствора. Окисляемость – общее количество в воде восстановителей (неорганических и органических). Метод основан на способности перманганата калия окислять различные вещества.
Окисляемость равна 0,16 мг О/литр.
В ходе исследования была определена жесткость грязевого раствора. Жёсткость воды — совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния.
Жесткость грязевого раствора равна 5,5 ммоль∙ экв/литр. По величине жесткости грязевой раствор относится к воде средней жесткости.
На основе исследования химического состава грязевого раствора мы можем составить химическую формулу грязевого раствора. Для этого надо вычислить процентное содержание каждого катиона и аниона в грязевом растворе (процентное содержание каждого катиона высчитывается относительно суммы масс всех катионов, каждого аниона – относительно суммы масс всех анионов).
Формула грязевого раствора:
Выводы:
1.Освоены физико – химические методы исследования (титриметрия, фотоколориметрия, химический, седиментационный анализы);
2. Определен гранулометрический состав сапропеля методом седиментационного анализа. Сапропель озера Кирек имеет тонкодисперсную структуру, содержит около 80 % активных частиц;
3. Проведен химический анализ сапропеля на содержание минеральной составляющей. Определено процентное содержание оксидов кремния, железа (III),алюминия, кальция, магния и фосфора. Исследуемый сапропель относится к известковистым высокозольным пелоидам.
4. Исследован на содержание катионов и анионов грязевой раствор сапропеля. Составлена формула грязевого раствора;
5. Проведен термический анализ сапропеля. Составной частью сапропеля является мелкодисперсный карбонат кальция.
Список литературы:
1. Гурленя и курортология нервных болезней. - Минск: Высшая школа,1989
2. Бернатонис сапропели Томской области. Вестник ТГУ, 2003 - №3.- стр. 210-212
3. Курортно-рекреационный потенциал Западной Сибири/Под редакцией , – Томск, 2002.-227 с.
4. «Рациональное освоение озерных сапропелей Томской области. Экологический мониторинг, состояние окружающей среды Томской области в 2008 году». /Авторы: ,
5. Клюковский практикум по общей технологии силикатов. Стройиздат, 1975.
6. Лечебные факторы санатория «Чажемто». Проспект, 2006.
7. Вакалова анализ в технологии силикатов. Методические указания //авторы , – Томск:ТПУ, 1994.
8. Вакалова , состав, свойства. Анализы глин. – Томск:ТПУ, 2005.
9. Осипова оценки качества водных объектов. – Томск:Дельтаплан, 2004- 64с.
Приложение
Рисунок 2. Дериватограмма термического разложения сапропеля оз. Кирек
