Выщелачивание элементов из осадков зелёной щёлочи на 16 шведских целлюлозно-бумажных фабриках в период 2017–2019 гг.

Превращая две проблемы с отходами в одно решение

По всей Швеции и в других странах тысячи старых рудников бесшумно пропускают в ближайшие ручьи и почвы кислые, богатые металлами воды. Очистка таких разбросанных объектов дорогостояща и сложна, особенно если это исторические памятники, где нельзя существенно изменить ландшафт. Одновременно целлюлозно-бумажные фабрики генерируют большие объёмы осадков зелёной щёлочи — мелкодисперсного остатка, который обычно захоранивают на полигонах. В этом исследовании проверяется, можно ли безопасно повторно использовать этот промышленный побочный продукт для нейтрализации кислых вод шахт, превратив отход в инструмент экологического восстановления.

Что это за неожиданный материал

Осадки зелёной щёлочи образуются при возврате кулинарных (пищевых?) — исправление: при восстановлении щёлочных реактивов на целлюлозных фабриках. Щепу варят в сильных щёлочных растворах для отделения волокон, затем использованную жидкость сжигают и перерабатывают для восстановления химикатов. В процессе образуется похожий на шлам осадок, содержащий остатки извести, натриевых соединений и примеси металлов. Он сильно щёлочной, способен буферизовать кислоту и склонен прилипать к частицам при смешивании. Поскольку почти весь такой материал сейчас отправляют на полигоны, нахождение безопасного пути повторного использования могло бы снизить расходы на размещение и уменьшить экологический след целлюлозно-бумажной промышленности.

Как исследователи проверяли его действие

Чтобы увидеть, как материал ведёт себя на практике, авторы собрали 71 образец осадков зелёной щёлочи с 16 шведских фабрик в течение двух лет. Вместо изучения одного‑двух образцов они целенаправленно охватили широкий диапазон фабрик, сезонов и условий переработки. В лаборатории влажный материал встряхивали с чистой водой в два этапа, примерно имитируя несколько полос проливных дождей. Затем измеряли, сколько из длинного перечня элементов оказалось в воде, включая распространённые компоненты вроде натрия и кальция, а также потенциально опасные следовые металлы — свинец, кадмий, хром и цинк. Компьютерные модели использовали для вывода о том, какие твёрдые минералы в осадках контролируют то, что растворяется в воде.

Что вымывается и что остаётся на месте

Испытания выявили двойственный характер. Солёные компоненты, такие как натрий, калий и рубидий, легко вымываются: более двух третей их суммарного содержания переходило в воду при тестовых условиях. Эти элементы в основном происходили из простых, сильно растворимых солей, оставшихся от химикатов фабрик, и они ответственны за сильную щёлочность первого стока воды. Напротив, кальций, магний, железо и многие проблемные металлы — такие как цинк, свинец, никель и медь — практически не вымывались. Их концентрации в воде были низкими, часто значительно ниже 1 % от общего содержания в твердой массе. Моделирование указывает на минералы, такие как кальцит (распространённая форма известняка), различные гидроксиды и оксиды металлов как на основные «замки», удерживающие эти элементы на месте и контролирующие их медленное выделение.

Безопасность в отношении загрязняющих металлов

Поскольку осадки зелёной щёлочи могут содержать заметные количества следовых металлов, регулирующим органам важно знать, не ухудшит ли их применение на рудниках качество воды. В исследовании сравнили полученные количества выщелоченных элементов со шведскими нормативами для материалов, размещаемых на полигонах. Для почти всех образцов стоки с осадков оставались ниже этих пределов по ключевым элементам — мышьяку, барию, кадмию, свинцу и цинку; лишь несколько необычных образцов превышали пределы для хрома, меди, молибдена или никеля. Важно, что лабораторные тесты были специально консервативными: использовали чистую воду и продолжительные времена контакта, что способствовало выщелачиванию. В реальных условиях на рудниках, где осадки смешиваются с кислыми отходами и условия меняются со временем, авторы ожидают, что скорости выделения для большинства металлов будут ещё ниже.

Почему это важно для старых рудников

Когда сильнощёлочные осадки вступают в контакт с кислыми рудными отходами, они могут нейтрализовать кислоту, замедлить разрушение минералов и способствовать тому, чтобы металлы оставались связанными с твёрдой фазой, а не в растворе. Исследование показывает, что в среднем сами по себе осадки зелёной щёлочи выделяют лишь умеренные количества проблемных металлов, одновременно обеспечивая быстрый подъём pH за счёт растворимых солей и долгосрочный буферный эффект от медленно растворяющихся карбонатных минералов. Такое сочетание даёт основания полагать, что их можно безопасно закачивать или совместно захоранивать с сульфидными рудными отходами, чтобы снизить влияние кислотных стоков. Если дальнейшие полевые испытания подтвердят эти результаты, страны, где есть и целлюлозные фабрики, и заброшенные рудники, могли бы решить две экологические проблемы одновременно — сократить потребность в полигонах для промышленных отходов и улучшить качество воды вокруг исторических горнодобывающих участков.

Цитирование: Stahre, N., Sartz, L. & Bäckström, M. Element leaching from green liquor dregs from 16 Swedish pulp and paper mills between 2017 and 2019. Sci Rep 16, 14683 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51421-1

Ключевые слова: осадки зелёной щёлочи, кислые шахтные водооттоки, ремедиация шахтных отходов, повторное использование побочных промышленных продуктов, выщелачивание металлов