Природний мінерал Глауконіт на службі ґрунту і довкілля
Від геологічної сировини до функціонального природного матеріалу
Ю.Б. Козуб
Глауконіт відомий геологам уже давно, однак сьогодні інтерес до нього дедалі більше виходить за межі класичної мінералогії. Причина проста: властивості цього природного залізо- і калійвмісного шаруватого силікату роблять його цікавим одночасно для кількох напрямів — очищення води, локалізації забруднювачів, рекультивації земель, поліпшення властивостей ґрунту та створення нових мінеральних і органо-мінеральних матеріалів для сільського господарства.
Ще класичний огляд у Earth-Science Reviews звертав увагу на те, що поняття «глауконіт» потребує певної точності. Зелені глауконітові зерна в осадових породах не завжди складаються виключно з одного мінералу. Їхня структура, вміст калію, частка розбухаючих шарів, катіонообмінні властивості та інші характеристики можуть істотно змінюватися залежно від умов утворення. (ScienceDirect)
Це принципово важливо і для практичного використання. Не існує абстрактного «глауконіту взагалі»: технологічні характеристики необхідно визначати для сировини конкретного родовища.
Сучасний огляд 2024 року в Applied Clay Science, присвячений саме застосуванню глауконіту в сільському господарстві, підтверджує зростання інтересу до глауконітових порід як джерела калію та мікроелементів і як основи для створення більш складних добрив та матеріалів для відновлення родючості ґрунтів. (ScienceDirect)
Глауконіт як частина природної мінеральної системи
Для практичного застосування особливий інтерес становлять не лише концентрати високої чистоти, але й природні глауконітовмісні породи.
Саме такий підхід був використаний у наших дослідженнях глауконітових порід родовища «Адамівка II». Для експериментів застосовували незбагачені й неактивовані кварц-глауконітові піски із вмістом глауконіту до 40% і розміром частинок менше 0,5 мм.
Цей момент має практичне значення. Якщо природний матеріал проявляє корисні властивості без складного хімічного модифікування, це потенційно спрощує технологію його масштабного застосування та зменшує вартість підготовки сировини.
Водночас це не означає, що збагачення або активація глауконіту не потрібні взагалі. Все залежить від поставленої задачі. Для високоселективної сорбції, водоочищення або створення спеціалізованих композитів модифікація може суттєво підвищувати ефективність. Сучасні міжнародні роботи показують, наприклад, перспективність механічної, термічної, хімічної та композиційної модифікації глауконіту. (ScienceDirect)
Отже, правильніше говорити не про «кращий глауконіт», а про відповідність конкретної глауконітової сировини конкретному технологічному завданню.
Чому глауконіт здатний працювати як сорбент
Сорбційна дія глауконіту пов’язана з його мінеральною структурою, поверхневими активними центрами та здатністю до іонного обміну. При контакті мінералу з водним розчином можуть одночасно відбуватися різні процеси: поверхнева адсорбція, іонний обмін, комплексоутворення та інші форми зв’язування речовин.
Це добре продемонстровано на важких металах.
У класичному дослідженні, опублікованому в Water Research, для литовського глауконіту досліджували сорбцію Cd(II), Pb(II) та Zn(II). Автори встановили залежність сорбції від концентрації, іонної сили та pH, а відносна здатність до зв’язування металів відповідала послідовності Pb > Cd > Zn. (ScienceDirect)
Пізніше Franus, Bandura і Madej у журналі Minerals дослідили природний глауконіт як у статичній, так і в динамічній системах. У пакетних експериментах послідовність сорбційної здатності становила Pb > Cd > Zn > Cu, причому суттєве значення мали pH, концентрація забруднювача та умови контакту. (MDPI)
Таким чином, сорбційні властивості глауконіту — це не теоретичне припущення, а явище, яке підтверджується різними дослідницькими групами для різної глауконітової сировини.
Таблиця 1. Що сьогодні підтверджено дослідженнями глауконіту
| Напрям | Що показано | Практичне значення |
|---|---|---|
| Важкі метали | Сорбція Pb, Cd, Zn, Cu | Водоочищення, бар'єрні матеріали, ремедіація |
| Радіоцезій | Селективне зв'язування Cs глауконітовими пісками | Геохімічні й захисні бар'єри |
| Амоній | Видалення NH₄⁺ через іонний обмін | Водоочищення, контроль сполук азоту |
| Фосфати | Сорбція природними та модифікованими глауконітами | Контроль евтрофікації |
| Пестициди | Сорбція низки органічних пестицидів у наших модельних дослідах | Потенціал ремедіації забруднених ділянок |
| Ґрунтове живлення | Повільне вивільнення K та зміни K, P, Ca, Mg у ґрунті | Використання як мінеральної ґрунтової добавки |
Міжнародні дослідження не обмежуються важкими металами. Для глауконітових пісків експериментально показано високу спорідненість до радіоцезію, що дозволило авторам розглядати їх як потенційний додатковий геологічний сорбційний бар’єр. (ScienceDirect)
Сучасні дослідження також охоплюють сорбцію амонію, фосфатів, фторидів та інших забруднювачів. Наприклад, у роботі 2024 року в Desalination and Water Treatment досліджували природний, термічно та мікрохвильово оброблений глауконіт для вилучення фосфатів та амонійного азоту. Результати показали, що спосіб обробки суттєво змінює селективність матеріалу. (ScienceDirect)
Це ще раз підкреслює: властивість природної сировини можна не лише використовувати, а й технологічно спрямовувати.
Власні дослідження: глауконіт і залишкові пестициди
Окремий напрям наших робіт був пов’язаний із проблемою територій, де протягом багатьох років зберігалися непридатні або заборонені пестициди.
Проблема таких об’єктів не завершується після вивезення тари або ліквідації складу. Залишкові кількості токсикантів можуть залишатися у ґрунті та мігрувати разом із ґрунтовими й поверхневими водами.
У дослідженні глауконітових порід «Адамівки II» модельні розчини готували для дев’яти пестицидів різних груп: ДДТ, ГХЦГ, ТІЛТ, Байтан, Хлорофос, ДДВФ, Актелік, Децис та Цимбуш.
До 1000 мл модельного розчину вносили відповідно 10, 50 та 100 г глауконітової породи. Систему перемішували протягом п’яти хвилин, залишали на 24 години, після чого залишкові концентрації пестицидів визначали хроматографічно.
Отримані результати продемонстрували суттєву відмінність сорбції залежно від конкретної речовини.
Таблиця 2. Максимальне поглинання досліджених пестицидів у модельному експерименті
Пестицид
Максимальне зафіксоване поглинання, %
Джерело: експериментальні дані Ю.Б. Козуба та Ю.І. Федоришина; показники наведено для конкретних модельних умов досліду.
Для ДДТ та ДДВФ у дослідних умовах повне видалення з розчину спостерігалося вже за найменшої дослідженої кількості породи. Для інших речовин ефективність залежала від кількості сорбенту.
Важливо підкреслити наукову межу такого результату: це не означає, що внесення глауконіту автоматично забезпечить 100% видалення відповідного пестициду з реального польового ґрунту.
Ґрунт набагато складніший за модельний водний розчин. У ньому присутні органічна речовина, колоїди, різні мінерали, мікроорганізми, корені рослин, а pH, вологість та температура постійно змінюються.
Тому отримані дані потрібно розглядати як доказ сорбційного потенціалу конкретної глауконітової породи і як обґрунтування для наступних лабораторних, вегетаційних та польових випробувань.
Результати цього напряму були також представлені в роботі С.Т. Омельчука, А.К. Маненка, С.І. Матисіка, Н.А. Хоп’як, Г.М. Ткаченка, Л.В. Хабровської, Ю.Б. Козуба та Ю.І. Федоришина «Гігієнічна оцінка сорбційних властивостей глауконітоліту стосовно пестицидів різних хімічних груп», опублікованій 2010 року в Науковому віснику Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця. (Ірбіс НБУВ)
Глауконіт — не тільки сорбент
Саме тут відкривається ще одна важлива сторона цього природного матеріалу.
Для більшості класичних сорбентів їхня функція завершується зв’язуванням забруднювача. Після насичення матеріалу часто виникає нова задача — вилучити, регенерувати або утилізувати сорбент.
У випадку глауконітових матеріалів потенційно можлива інша модель, особливо при роботі з ґрунтом: мінеральний компонент після виконання сорбційної або буферної функції може залишатися частиною ґрунтової мінеральної системи. Проте безпечність такого підходу має визначатися природою конкретного забруднювача, міцністю його зв’язування та результатами досліджень десорбції.
У нашій роботі щодо пестицидів було зроблено висновок про можливість використання природної глауконітової суміші без попереднього збагачення й активації та відзначено відсутність десорбції в досліджених умовах.
Однак сьогодні це положення доцільно перевіряти для кожного забруднювача окремо — включно з довготривалими дослідами, циклічним зволоженням і висушуванням, зміною pH та оцінкою біодоступності.
А що відбувається з глауконітом у сільськогосподарському ґрунті?
Міжнародні польові дослідження дають цікаву відповідь.
У роботі, опублікованій 2019 року в Applied Clay Science, глауконітовий матеріал досліджували при вирощуванні твердої пшениці. Автори повідомили про збільшення врожайності, зміни фізико-хімічних властивостей ґрунту та поступове вивільнення калію: вміст K₂O у глауконіті зменшився приблизно на 24% за один вегетаційний сезон. Це стало підставою розглядати матеріал як потенційне повільнодіюче джерело калію. (ScienceDirect)
Ще цікавішим є дворічний дослід із вівсом, опублікований у журналі Agronomy. Після одноразового внесення глауконітового матеріалу у дозі 200 г/м², тобто 2 т/га, ефект спостерігався і в другому сезоні. Середня врожайність вівса становила 147,5 кг/га в дослідному варіанті проти 133,7 кг/га у контролі — приблизно на 10,4% більше. (MDPI)
Рис. 2. Приклад післядії глауконітового матеріалу у польовому досліді з вівсом
Врожайність вівса на другий сезон
Середня врожайність у контрольному та глауконітовому варіантах
Rundmin, Banerjee & Makarov, Agronomy, 2020. Доза глауконітового матеріалу – 2т/га.
Цифри цього досліду не можна механічно переносити на інші ґрунти, інші глауконітові родовища чи інші норми внесення. Тим більше їх не слід без окремих випробувань переносити на комплексні препарати, де глауконіт є лише одним із компонентів.
Проте результат важливий концептуально: глауконіт у ґрунті може залишатися активною частиною системи протягом більш ніж одного вегетаційного періоду. (MDPI)
Сорбент чи добриво? Така постановка питання занадто вузька
На мій погляд, перспективність глауконіту полягає саме в його багатофункціональності.
Його не варто оцінювати лише як заміну традиційному калійному добриву. Так само неправильно розглядати його виключно як матеріал для очищення води.
Таблиця 3. Функціональна роль глауконітової сировини
| Властивість | Можливий результат | Напрям застосування |
|---|---|---|
| Сорбційна поверхня | Зв'язування частини забруднювачів | Водоочищення, бар'єрні матеріали, ремедіація |
| Катіонний обмін | Взаємодія з іонами у ґрунтовому розчині | Ґрунт, вода |
| Калій у структурі | Поступове вивільнення частини K | Агрономія |
| Мінеральна матриця | Формування багатокомпонентних матеріалів | Добрива, сорбенти |
| Взаємодія з водою | Вплив на перебіг процесів у ґрунтовій системі | Посушливі та деградовані ґрунти |
| Можливість модифікації | Зміна селективності та сорбційної здатності | Спеціалізовані технології |
Сучасний огляд Dasi, Rudmin і Banerjee 2024 року фактично рухається в тому самому напрямку: автори розглядають не тільки безпосереднє внесення глауконітових матеріалів, а й перспективу створення на їх основі більш складних композицій і нанокомпозитних добрив. (ScienceDirect)
Саме тут геологія починає переходити в матеріалознавство, агроекологію та біотехнологію.
Від сорбції — до відновлення ґрунту
Однак є принципове обмеження.
Зв’язати забруднювач ще не означає відновити ґрунт.
Сорбція може зменшити рухливість певної речовини або її концентрацію у водній фазі. Але здоровий ґрунт — це значно складніша система. Його функціонування залежить від структури, органічної речовини, водного режиму, мікробіоти, рослинного покриву, доступності елементів живлення та багатьох інших факторів.
Тому майбутнє глауконіту я бачу не стільки в масовому використанні одного мінералу для вирішення всіх проблем, скільки у створенні комплексних технологій, де кожний компонент виконує свою функцію.
Мінеральна складова може працювати з ґрунтовим розчином і забруднювачами. Органічна — брати участь у формуванні структури та вуглецевого середовища. Біологічна — підтримувати мікробні процеси. Рослина завершує систему через ризосферу, кореневі виділення, засвоєння елементів і утворення нової органічної речовини.
Саме таким чином природний мінерал перестає бути просто корисною копалиною і стає функціональною ланкою відновлення ґрунтової екосистеми.
Досвід наших досліджень і результати міжнародної науки показують, що глауконіт заслуговує на значно ширшу увагу.
Його сорбційні властивості підтверджені щодо різних класів речовин — від металів і радіоцезію до сполук азоту та фосфору. Наші експериментальні дослідження додатково показали високий потенціал кварц-глауконітової породи «Адамівки II» щодо низки пестицидів у модельних водних системах.
Паралельно польові роботи інших дослідницьких груп свідчать про можливість використання глауконітових матеріалів як повільнодіючої мінеральної складової ґрунту. (ScienceDirect)
Але найбільш перспективним видається наступний крок — перехід від дослідження окремої властивості глауконіту до керування комплексною системою «мінерал — органічна речовина — вода — мікроорганізми — рослина».
Саме цьому переходу від природної сировини до технології відновлення ґрунтів будуть присвячені наступні матеріали цієї серії.