Link for citation:  Bortnikova S.B., Abrosimova N.A., Devyatova A.Yu., Shevko E.P.,  Yurkevich N.V., Cherny N.K., Danilenko I.V., Palchik N.A. Volatility of chemical elements during the dehydration of secondary sulfates. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2022, vol. 333, no. 1, рр. 121-133. In Rus. The relevance. Air pollution due to the activities of the mining and metallurgical industries is a serious problem for the environment. This study was conducted to determine the possible mechanisms of migration and the sources of elements in the atmosphere above the surface of tailings. The main aim of the research is to show that chemical elements can be trapped by the water vapor and can migrate with the vapor phase during the desorption and dehydration of hydrous sulfates. Object: samples from the surface of the Belovo waste heaps (Belovo zinc processing plant, Belovo, Russia). Methods. Powder X-ray diffractometry (XRD) was used to determine the phase compositions of the crystalline substances, their quantitative phase relationships and transformations. An Agilent 8800 ICP-MS instrument (Tokyo, Japan), equipped with a MicroMist nebulizer, was used to determine the elements in the water samples (pore solution and condensates). Also, we used binocular microscope and physicochemical modeling methods. Results. By analyzing the condensates, it was determined that a wide range of chemical elements can migrate with vapor-gas streams from secondary hydrous sulfates under relatively low-temperature conditions (60 °C). Condensate from the wet sample contains high element concentrations due to the input of elements from the pore solution and hydrous sulfates. Alterations in mineral structure and water release are indicated by losses of sample weight. With dehydration, cations and trace elements can be extracted from the crystal lattice, replaced by protons, and can then enter the vapor-gas phase when the solution evaporates.

Актуальность. Загрязнение атмосферного воздуха является важной и актуальной проблемой современности. Одними из главных источников поступления твердых частиц являются предприятия строительной отрасли. Твердые частицы поступают в атмосферный воздух в результате добычи, транспортировки и измельчения сырьевых компонентов, обжига клинкера, помола и транспортировки цемента. В этой связи актуальным является экологическая оценка пылеаэрозольного загрязнения атмосферного воздуха в районах размещения цементных заводов. Цель: оценить состояние атмосферного воздуха в окрестностях цементного завода на основе изучения пылевой нагрузки, уровней накопления химических элементов и форм их нахождения в составе твердых частиц, осевших в снеговом покрове в окрестностях цементного завода г. Искитим. Объекты: твердая фаза снегового покрова, содержащая пылеаэрозольные частицы, осевшие из атмосферного воздуха в снеговой покров в районе расположения цементного завода, сырьевые компоненты для производства цемента (известняк, глина, шлак, пиритные огарки). Методы: атмогеохимический метод, включающий отбор и подготовку проб снегового покрова для получения твердой фазы снегового покрова; аналитические методы исследования проб: масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой, инструментальный нейтронно-активационный анализ, рентгенофазовый метод, сканирующая электронная микроскопия; методы статистической обработка результатов в программном обеспечении «STATISTICA 8»; эколого-геохимический анализ данных путем расчета показателей – пылевая нагрузка (Pn), коэффициент концентрации (Kc), суммарный показатель загрязнения (Zспз), картографическое представление результатов в ПО «Surfer 11» и «CorelDraw X7». Результаты. Уровни пылевой нагрузки в окрестностях цементного завода находятся в широком диапазоне (от 57 до 1028 мг/(м2∙сут.) при среднем значении 318 и фоне 7 мг/(м2∙сут.). По нормативным градациям формируются уровни пылевого загрязнения от низкого до очень высокого. По мере удаления от предприятия в север-северо-западном направлении на расстояние от 0,6 до 2,8 км уровни пылевой нагрузки уменьшаются от 436 и до 78 мг/(м2∙сут.). Наибольший уровень пылевой нагрузки формируется в ближней зоне влияния (до 500 м) – 1028 мг/(м2∙сут.), а также в районе расположения карьера, где добываются основные сырьевые компоненты – 932 мг/(м2∙сут.). Минеральный состав твердой фазы снегового покрова представлен минералами сырьевых компонентов – кальцитом (CaCO3) – 82,1 %, кварцем (SiO2) – 4,4 %, магнезитом (MgCO3) – 7,6 %; минералами цементного клинкера – браунмиллеритом (Ca2(Al, Fe)2O5) и хатруритом (Ca3(SiO4)O)) – 6,4 и 26,6 %, соответственно. В твердой фазе снегового покрова выделены микрочастицы оксидов кальция и железа, а также микрочастицы алюмосиликатного состава с размерами от 2,7 до 64,5 мкм. Техногенная геохимическая специализация твёрдой фазы снегового покрова характеризуется повышенными уровнями накопления Ca (в 14–23 раза выше фона), Zn, Sr, Sb, Tb, Yb, La, Sm, U (в 2–7 раз выше фона), которые формируют низкий уровень загрязнения. Распределение Ca и пылевой нагрузки по мере удаления от границ завода в северо-западном направлении имеет схожий характер. Максимальные уровни пылевой нагрузки (1028 мг/(м2∙сут.)) и накопления Ca (24 %) в твердой фазе снегового покрова определены на расстоянии 0,5 км, а по мере удаления от границ завода (от 0,5 до 2,8 км) наблюдается снижение уровня пылевой нагрузки в среднем от 7 до 13 раз (140–78 мг/(м2∙сут.)) и накопления Ca в 1,5 раза (16–17 %). Микроэлементы-индикаторы (Cr, Sb, Zn), которые определены в справочнике наилучших доступных технологий как специфичные в составе выбросов цементного производства, в твердой фазе снегового покрова превышают фоновые уровни от 2 до 7 раз. Для твердой фазы снегового покрова характерными являются геохимические ассоциации Zn-Cr, As-Ta, Yb-U-Sb, Tb-Ba, Th-Na, Fe-La. Отмечаются корреляционные связи между микроэлементами-индикаторами (Ca, Ba, Cr, As, Fe, Sb, Zn), характерными для выбросов производства цемента, с редкоземельными и радиоактивными (U, Th) химическими элементами. Этот факт может указывать на единый источник поступления этих элементов (при положительных корреляционных связях), а также отражать разницу в составе корректирующих добавок для производства цемента и разные формы нахождения химических элементов в составе твердых частиц в окрестностях цементного завода (при отрицательных корреляционных связей). Выявленные геохимические ассоциации с высокой долей вероятности отражают геохимическую специализацию используемого сырья, корректирующих и минеральных технологических добавок для производства цемента.