CC BY
13
УДК 631.95:631.445.2
Качмар Н. В., к.с.-г.н., старший викладач, Дацко Т. М., к.с.-г.н., доцент, Мазурак О. Т., к.т.н., доцент © Лъе1есъкий нацюналъний аграрнийутеерситет
ВПЛИВ IOHIB СВИНЦЮ ТА КАДМ1Ю НА ПИТОМУ ПОВЕРХНЮ ТЕМНО-С1РОГО ОП1ДЗОЛЕНОГО ГРУНТУ
Метою проведения дослгдженъ було визначення вплыву ргзних концентрацт свинцю та кадмт на змту питомог noeepxni грунту. Об'ектом дослгдження буе темно-cipuu отдзолений грунт, до якого було внесено сол1 свинцю у вигляд1 Pb(CH3COO)2 у концентращях: 32; 160 i 320 i кадмт -CdCl2 2.5H2O у концентращях: 3; 15 i 30 мг/кг грунту. Питому поверхню визначали з iзотерм адсорбцп (за теор1ею БЕТ). Шд впливом ionie свинцю питома поверхня грунту зменшилася, a nid впливом кадмт - збыъшилася.
Ключов1 слова: питома поверхня, свинецъ, кадмт, грунт.
Вступ. Показник питомо! поверхш грунту визначае найбшьш важлив1 його властивост1 - ф1зичш, х!м!чш, ф1зико-х1м1чш, бюлопчш. 3 дисперсшстю грунту пов'язаш, наприклад, здатшсть грунту адсорбувати поживш елементи, сорбуватн газн, пари води, утримувати ту чи шшу кшьюсть води у вшьному стан1. Взаемопов'язаш з питомою поверхнею i комплекси теплових та пов1тряних умов у rpyHTi [3, 4].
Мелюранти або структуроутворювач1, роль яких у грунтах виконують сольов1 i оксидш мшеральш компоненти, а також забруднююч1 речовини pi3HOÏ природи, в тому числ1 i важк1 метали, можуть у значнш Mipi змшювати поверхнев1 властивост1 грунт1в, а особливо сшввщношення активних центр1в, гщрофшьшсть i структурш характеристики грунт1в. Наприклад, при забрудненш грунту важкими металами неоднорщшсть активних центр1в на поверхш грунту проявляеться в специф1чност1 i особливостях конкурентного взаемовщношення юшв [2].
Мехашзм взаемоди важких метал1в i3 грунтом е досить складним i суперечливим, а тому питания ïx впливу на поверхнев1 властивост1 грунту, дослщження мехашзм1в впливу адсорбованого свинцю i кадмш на питому поверхню грунту е актуальним для сьогодення.
Стрес, який пов'язаний i3 ф1тотоксичшстю важких метал1в в рослинному середовищ1 чи у грунтовому розчиш викликае змши метабол1чних та ф1зюлопчних процеЫв в рослиш, а також е причиною ïï анатом1чних i морфолопчних змш. TaKi змши, як правило, викликають змши питомо! поверхн1 корешв [1, 10].
Метою проведених дослщжень було встановлення специф1чност1 впливу дослщжуваних метал1в у р1знш концентрацп на питому поверхню темно-ciporo опщзоленого грунту.
© Качмар Н. В., Дацко Т. М., Мазурак О. Т., 2013
62
Матер1али i методи. Для визначення штенсивносп впливу юшв свинцю та кадмш на величину питомо! поверхн1 використано грунт, який вдабрано у перший piK дослщжень.
Найбшьш простим i найпоширешшим методом визначення питомо! поверхш е отримання криво! сорбци води над насиченими розчинами р1зних солей. Цей метод розроблений авторами: Brunauer S., Emmet P.H., Teller E. (БЕТ) [7]. Як правило, використовують ciM найбшьш розповсюджених солей з вщносними тисками napiß (p/po): LiCl (0,15), CaCl26H2O (0,35), NaHSO4 (0,52), NH4NO3 (0,67), NHtCl (0,79), KCl (0,86) i K2SO4 (0,98) [5].
У ексикатори, де у спещальних посудинах знаходились розчини солей, встановлювали бюкси з грунтом (наважка 1 - 2 г), перюдично !х зважували до встановлення постшно! маси. Встановлення р1вноваги е досить довгим процесом, який тривае не менше двох мкящв. Бшьш швидкого встановлення р1вноваги можна досягти, якщо створити розрщження в ексикаторг Шсля досягнення р1вноваги вологост! грунту визначали його волопсть. Розраховували ¿зотерму сорбци (якщо попередньо зволожеш зразки - то десорбц1!), по БЕТ i Фарреру - повну i зовн1шню питому поверхню, за !х в1дм1нностями -внутр1шню [5, 16].
Для граф1чного вираження ¿зотерми десорбцп водяно! пари в координатах БЕТ необхщно спочатку отримати цю ¿зотерму десорбцй' для кожного конкретного зразка [4, 6].
1зотерма адсорбцп БЕТ в nimürnü форм1 выражаешься наступним р1внянням [8]:
y/a= 1/(amC)+x (C-1)/ (amC ) (1)
де y = x/(1-x); x = p/p0; p - це тиск; p0 (Па) - тиск насичено! пари при вим1рювальнш температур! T (K); am (кг/кг) е к!льк1стю адсорбованого адсорбенту при в1дпов!дному тиску водяно! пари i при в!дпов!дн1й температур! T (K); C=exp[-(Ea-Ec)/RT], i це е стала в р1внянн! при Еа eHepri! адсорбц!! i Ее енерги конденсац11 i газовш стал1 RT [14].
Коеф1ц1ент кореляцп, форма якого подаеться квадратна, був вищий, н1ж 0,98. Р1вняння БЕТ було виведено на основ! модел1 адсорбц11 локал1зовано! на гомогенн1й поверхш. Дане р1вняння охоплюе меж1 вщносних тиск1в адсорбенту p/p0 в1д 0,05 до 0,35. На пщстав1 р1вняння (1) статистично визначено емк1сть моношару, вщповщно до яко! обчислено питому поверхню грунту S з р1вняння (2):
S= Lroam/M
(2)
де L (моль) - це число Авогадро; со (м2) =1,08-10 19 i е площею, яку займае одна молекула водяно! пари; M (кг/моль) - молекулярна маса одн1е! молекули водяно! пари.
Результати досл1джень. У таблиц! 1 представлен! результата дослщження питомо! поверхш темно-ciporo оп1дзоленого грунту, забрудненого свинцем та кадм1ем в доз! 1; 5 та 10 ГДК.
63
Свинець, як I багато шших важких метал1в, може надзвичайно мщно адсорбуватися грунтами. Внаслщок чого змшюються не лише рухомкть свинцю, його доступшсть рослинам I токсичшсть, а й властивост! поверхш грунтових частинок, що адсорбують метал [1, 2].
Таблиця 1
Питома поверхня темно-арого ошдзоленого грунту, забрудненого свинцем
та кадм1ем, м2/г
Вар1ант Глибина в1дбирання зразк1в грунту, см
0 - 10 10 - 20 20 - 30 30 - 40 40 - 50 50 - 60
Контроль 30,09 30,41 26,83 30,43 33,87 38,74
1 ГДК РЬ2+ 29,91 30,07 27,73 27,89 37,25 37,71
5 ГДК РЬ2+ 29,12 29,04 28,52 29,42 35,64 37,40
10 ГДК РЬ2+ 28,89 29,75 29,82 31,18 32,98 37,17
ШР05, м2/г 0,24 0,68 1,28 0,65 1,04 0,91
1 гдк еа2+ 36,34 29,81 28,79 35,45 33,92 40,02
5 гдк еа2+ 30,22 30,77 29,32 33,85 39,24 36,71
10 гдк еа2+ 30,53 30,68 30,22 37,64 37,76 36,46
ШР05, м2/г 0,43 0,07 0,63 0,48 0,59 0,46
Як свщчать даш (табл. 1), величина питомо! поверхш дослщжуваного грунту залежить вщ р1вня його забруднення.
Найвищим значениям цього показника в орному шар! грунту характеризувався вар1ант дослщу 1 ГДК РЬ2+, що е досить близьким до контролю, а на вар1антах 5 [ 10 ГДК РЬ2+ щ значения практично р1вш м1ж собою, проте нижч1 за контроль та попередньо описаний вар1ант. Пор1вняно з контролем додаткове внесения свинцю у вибраних дозах (1; 5; 10 ГДК) стало причиною незначного зменшення питомо! поверхн! в 0 - 20 см шар! грунту. 1з збшьшенням глибини до 40 см спостер!галося явище законом!рного зменшення питомо! поверхн! на контрол! ! вар!ант! досл!ду 1 ГДК РЬ2+. Передус!м це пов'язано ¿з зменшенням вм!сту орган!чних речовин в нижшх шарах грунту. Зб!льшення концентраци свинцю у грунт! до 10 ГДК навпаки стало причиною незначного збшьшення значения досл!джуваного показника на данш глибин!.
В!домим е факт, що утворення р!зних х!м!чних сполук у грунт! можливе при взаемоди кат!он!в важких метал!в з мшеральною ! орган!чною його складовою частиною. При взаемод!! з оксидами - гщроксидами зал!за ! марганцю та цеол!тами в!дбуваеться необм!нне зв'язування свинцю. Поряд ¿з цим грунтова оргашчна речовина волод!е здатн!стю утворювати комплекси з ¿онами свинцю, в яких частина кат!он!в може бути замщена ¿ншими ¿онами за механ!змами юнного обм!ну [11, 13, 15].
Проте на уах вар!антах досл!ду спостер!гаеться р!зке зб!льшення питомо! поверхн! в шар! 40 - 60 см, яка пор!вняно з орним шаром, наприклад, на контрол!, зб!льшилася вщ 30,25 до 36,30 м2/г. Грунт, забруднений свинцем у доз! 1 ! 5 ГДК, характеризувався на цш глибин! наступними значениями показника: 37,48 ! 36,52 м2/г, як! були под!бними до контрольних. Невисок! концентраци важкого металу у грунт! не стали причиною змши значения даного
64
показника на данш глибиш, про що свщчить пор1вняння з контролем. Однак вар1ант досл1ду з найвищим р1внем забруднення грунту в1др1знявся вщ уЫх шших вар1ант1в бшьшою його питомою поверхнею, яка становила 37,48 м2/г. Загальне збшьшення питомо! поверхш грунту на цш глибнш, очевидно, пов'язане з присутшстю в цьому шар! карбонат1в.
Як зазначено в л1тературних джерелах [6, 9, 12], змши в структур! грунту пщ впливом високих доз свинцю можуть бути зумовлеш процесами коагуляцшного структуроутворення високодисперсних частинок грунту внаслщок змши !х поверхневих властивостей у результат! адсорбцп.
На вщмшу вщ свинцю, кадмш, який був внесений у грунт в концентрацп 3 мг/кг, зумовив збшьшення значения питомо! поверхш в кореневм1сному шар1 до 33,07 м2/г. Вона е вищою пор1вняно з контролем та шшими вар1антами досл1ду. Вибран1 концентрац1! кадмш (5 I 10 ГДК Сё2+) не чинили в даному шар1 грунту негативно! д1! на дослщжуваний показник, який залишався практично на одному р1вш з контролем. Збшьшуватися питома поверхня починала на глибиш 30 см I досягла найвищого значения показника в шар1 50 -60 см на контрол1 I на вар1ант1 1 ГДК Сё2+ та в шар1 40 - 50 см на вар1антах досл1ду 5 1 10 ГДК Сё2+.
Проведен! досл!дження на темно-с!рому опщзоленому грунт!, забрудненому свинцем ! кадм!ем, показали, що п!двищення дози важких метал!в у даному грунт! впливае на його властивост!, а як наслщок - ! на розвиток рослин.
У робот! встановлено, що насичення грунту кат!онами свинцю ! кадм!ю приводили до зм!ни сорбцп пар!в води. Кат!они свинцю мають здатн!сть знижувати сорбц!йну здатн!сть грунту, а катюни кадм!ю !! збшьшують.
1з сказаного вище можна зробити висновок, що утворення р!зних поверхневих сполук у забрудненому важкими металами грунт! в!дображаеться на х!м!чних, структурних ! водно-ф!зичних властивостях грунту, що в кшцевому результат! впливае на доступшсть елемент!в м!нерального живлення 1, в!дпов!дно, на р!ст! розвиток рослин.
При малих дозах свинцю у грунт! стшккть суспенз!й забрудненого грунту сп!впадае з контрольними зразками. Як зазначае Г. Н. Курочюна, б!льш ¿нтенсивна коагуляц!я суспенз!й ¿з незабрудненими грунтами наступав при доз! кат!ошв свинцю вище 1000 мг/кг грунту. В наших дослщженнях так! висок! концентрацп забруднення грунту не застосовувалися.
Висновки. Отже, важк! метали, як! були штучно внесен! в темно-арий оп!дзолений грунт здатн! змшювати його питому поверхню, зокрема, зменшувати, якщо йдеться про свинцеве забруднення, ! зб!льшувати у раз! кадм!евого навантаження, починаючи з глибини 20 см. Проте як за умов свинцевого, так ! кадм!евого забруднення грунту, спостер!галося ч!тке п!двищення показника на глибиш 20 - 30 см на уах вар!антах досл!ду, в результат! чого значения Н1Р05 там також найвище.
Проте ! результати наших дослщжень, ! дан! р!зноман!тних л!тературних джерел вказують на те, що, за винятком впливу важких метал!в, р!зномаштшсть
65
питомо1 noBepxHi грунту, пов'язана з р1зним bmíctom гумусу, гранулометричним i мшеральним його складом.
Л1тература
1. Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях / Ю. В. Алексеев. - Л. : Агропромиздат, 1987. - 142 с.
2. Гребельна Н. В. 3míhh основннх параметр1в грунту пщ впливом свинцю та кадмш / Н. В. Гребельна., В. В. Сштинський // Bíchhk Льв1вського национального аграрного ушверситету : агрономш. - 2008. - № 12 (1). - С. 21-26.
3. Карпачевскнй Л. О. Экологическое почвоведение / Л. О. Карпачевский. - М. : ГЕОС, 2005. - 336 с.
4. Теории и методы физики почв : кол. монография / [под ред. Е. В. Шеина, Л. О. Карпачевского]. - М. : Гриф и К, 2007. - 616 с.
5. Шеин Е. В. Курс физики : учебник / Е. В. Шеин. - М. : Изд-во МГУ, 2005. - 432 с.
6. Acta Agrophysica 162. Instytut Agrofizyki im. Bohdana Dobrzanskiego PAN w Lublinie. - Lublin : ALF-GRAF, 2008. - Vol. 12, № 2. - 573 p.
7. Brunauer S. Adsorption of gases in multimolecular layers / S. Brunauer, P. Emmet, E. Teller // J. Am. Chem. Soc. - 1938. - P. 309-314.
8. Chiou C. T. The surface area of organic matter / C. T. Chiou, J. F. Lee, S. A. Boyd // Environ. Sci. Technol. - 1990. - № 24. - P. 1164-1166.
9. Determination of proton affinity distributions for humic substances / [Nederlof M. M., De Wit J. C., Riemsdijk W. H., Koopal L. K.] // Environ. Sci. Technol. - 1993. - Vol. 27, № 5. - P. 846-856.
10. Hrebelna N. Wplyw jonów kadmu na pozorn^ powierzchni^ wlasciw^ korzeni j^czmienia (hordeum vulgare. L) / N. Hrebelna, A. Szatanik-Kloc, Z. Sokolowska // Acta Agrophysica 162. - Lublin, 2008. - Vol. 12, № 2. - S. 337-345.
11. International agrophysics // A quarterly journal on physics in environmental and agricultural sciences. Institute of agrophysics, polish academy of sciences. - 2007. - Vol. 21, № 4. - P. 311-422.
12. Jozefaciuk G. Physical chemistry of soil surface and pore properties / G. Jozefaciuk, Z. Sokolowska, M. Hajnos // EU 5th Framework Program QLAM-2001-00428. - Lublin : ALF-GRAF, 2004. - P. 148.
13. Matyka-Sarzynska D. Basic problems of agrophysics / D. Matyka-Sarzynska, R. Walczak // EU 5th Framework Program QLAM-2001-00428. - Lublin : ALF-GRAF, 2004. - P. 163.
14. Oscik J. Adsorption / J. Oscik. - PWS Ellis Horwood Ltd. Publish. Chichester, 1982. - P. 4 -206.
15. Physicochemical management of acid soil polluted with heavy metal / [Raytchev T., Jozefaciuk G., Sokolowska Z., Hajnos M.] // EU 5th Framework Program QLAM-2001-00428, Lublin - Sofia ; Lublin : ALF-GRAF, 2005. - P. 93.
16. Polska Norma PN-Z-19010-1. Jakosc gleby. Oznaczenie powierzchni wlasciwej gleb metod^ sorpcji pary wodnej (BET). - Warszawa : Polski Komitet Normalizacyjny, 1997. - 193 s.
66
Summary
Kachmar N. V., Datsko T. M., Mazurak O. T.
Lviv National Agrarian University EFFECT OF LEAD AND CADMIUM IONS ON SURFACE AREA OF DARK-
GREY PODZOLIK SOIL
The aim of investigations was to determine of influence of intensity lead and cadmium stress on changes of surface area of the soil. Object of researches was dark-grey podzolic soil polluted by lead and cadmium. Lead was added to the soil as a Pb(CH3COO)2 in the concentration of32, 160 and 320 mg Pb+2 per kg of the soil and cadmium - CdCl2 2.5H2O in the concentration of 3; 15 i 30 Cd +2 per kg of the soil. From the isotherms, surface area was calculated using BET theory. Under the influence of Pb +2 ions, surface area decreased. Under the influence of Cd +2 ions, surface area increased.
Key words: surface area, lead, cadmium, soil.
Рецензент - д.с.-г.н., професор Буцяк B.I.
67
