CC BY
26
УДК: 631.4: 502.65
СПОСОБ ИЗУЧЕНИЯ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ ПОДВИЖНОСТИ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПОЧВЕ
ПЕТРОВ В.Г., ШУМИЛОВА М.А.
Институт механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т.Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Разработан способ оценки подвижности в почве техногенных загрязнений. Для этого применяется лабораторный экспериментальный стенд, на котором моделируется воздействие атмосферных осадков на загрязненную почву. Для определения параметров подвижности загрязнений в почве используются элементы теории гетерогенных процессов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: техногенные загрязнения, подвижность в почве, способ исследования. ВВЕДЕНИЕ
Подвижность техногенных загрязнений в почве может существенно различаться для одного и того же элемента, в зависимости от того, каким исходным соединением был он представлен. Вещества могут отличаться различной растворимостью, различной химической и биологической активностью. В то же время существующие методики определения уровня загрязнений определяют, в основном, только валовое содержание вещества в почве, что, прежде всего, объясняется техническими возможностями анализа [1]. Такой подход может приводить к необъективной оценке производственного воздействия, что важно исключить в условиях техногенного воздействия особотоксичных веществ. Целью работы было создание методологии оценки подвижности техногенных загрязнений в почве в лабораторных условиях, что позволяло бы делать рекомендации к организации мониторинга промышленных объектов.
МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ
Для исследования подвижности техногенных загрязнений в почве был создан специальный лабораторный экспериментальный стенд, описание которого приведено ниже [2]. Для определения физико-химических параметров были применены элементы теории гетерогенных химических процессов [3].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Изучение подвижности загрязнителей в полевых условиях имеет ряд трудностей, прежде всего связанных с тем, что необходимо проводить загрязнение определенных количеств почв на исследуемой местности токсичными веществами, после чего в течении определенного периода инструментальными методами осуществлять наблюдение за содержанием загрязнителей [4]. В этом случае возникает проблема как с выделением такой незагрязненной территории, так и с необходимостью очистки и рекультивации земли после проведения исследований [5]. Кроме этого, из-за неравномерного воздействия разных природных факторов в этом случае является сложным применение теоретического аппарата, что снижает ценность получаемых данных.
Нами был разработан специальный экспериментальный стенд, размещенный в химической лаборатории. Схема стенда приведена на рис. 1. Назначение стенда заключалось в том, чтобы при определенных температурных условиях лабораторного помещения моделировать равномерное воздействие атмосферных осадков в виде дождя на образцы загрязненной почвы. Загрязнение почвы осуществляли кратными ПДК, или другой
нормативной документации, значениями содержания загрязнителей. Стенд представляет собой конструкцию из нескольких колонок, дозирующего устройства для равномерного распределения воды по колонкам и емкости для дистиллированной воды. В колонку помещали почву, проводили ее загрязнение, и пропускали в нее дистиллированную воду. На рис. 2 приведена схема такой колонки. В нижней части колонки устанавливается фильтр для отделения нерастворенных веществ. Фильтрат отбирали в мерные колбы и определяли скорость прохождения воды через образец, значение рН и концентрацию загрязнителя в фильтрате. Дозирующее устройство для равномерного распределения воды по колонкам представляет собой регулирующее устройство (зажим), для равномерной подачи воды в колонки. Таким образом, использование стенда позволяло определять скорость прохождения дистиллированной воды, ее объем, концентрацию загрязнителя в фильтрате, в нижней части колонки. В колонку закладывался образец почвы, массой 1,5 - 2,0 кг, высота почвенного образца в колонке составляла примерно 15 см, что соответствует высоте штыка лопаты при отборе пробы для анализа загрязнения в почве по методике [1]. Это придавало сходство лабораторного эксперимента исследованиям в полевых условиях. Небольшие массы образцов загрязненной почвы позволяли после эксперимента сравнительно просто их обезвреживать и направлять на полигоны промышленных отходов. Кроме этого, условия эксперимента позволяли определить физико-химические параметры подвижности загрязнений в почве с использованием элементов теории гетерогенных химических процессов.
1 - емкость с дистиллированной водой; 2 - дозирующее устройство; 3 - колонки с почвенными образцами; 4 - мерные колбы для сбора фильтрата
Рис. 1. Лабораторный стенд для исследования подвижности техногенных загрязнений
в почвенных образцах
Применительно к теории кинетики гетерогенных химических процессов [3], определение физико-химических параметров подвижности загрязнителей в почве может описано при условии равномерного начального распределения загрязнителя в почвенном образце, и при том, что он находится в сорбированном виде в почве, т.е. исходно в твердом состоянии. В этом случае взаимодействие дистиллированной воды с образцом загрязненной почвы можно описать системой твердое вещество - жидкость, которая описывается диффузионными и кинетическими процессами.
1 - загрязненный образец почвы; 2 - фильтр; 3 - крепежное устройство; 4 -патрубок для слива фильтрата
Рис. 2. Устройство колонки
Таким образом, изменение концентрации в почвенном образце от времени под действием воды можно записать следующим образом:
а к"' (!) ат
где а - количество выделенного из почвы загрязнителя в долях от исходного содержания; к - константа скорости выделения загрязнителя из почвы; т - время взаимодействия; п - порядок взаимодействия.
Поскольку, как отмечалось выше, в процессе играют роль диффузионные и кинетические факторы, то константу взаимодействия можно расписать так [3]:
! = (2) к кх в
где кх - константа скорости химической реакции; р - коэффициент диффузии.
Для перехода к объему воды, примем, что расход ее при пропускании через почвенный образец является постоянной величиной, поэтому:
ау
о = ——. (3)
ат
Подставив ат из выражения (3) в выражение (1) получим:
аа = —(1 -а)п.
ау о
Формулу (4) преобразуем следующим образом:
аа к 1ТТ
= —ау.
(4)
(5)
(1 -а)п о
При интегрировании формулы (5) можно определить константу скорости процесса выделения загрязнителя из почвы - к. Порядок реакции, можно определить из выражения:
Т = у о =
т2 у2 о
С
\п-1
0,2
с
V с°д )
(6)
где т1, т2 - время за которое из почвы с разным исходным содержанием загрязнителя Сод, С0,2 будет выделено одно и то же количество вещества в долях от исходного содержания - а; У1,
У2 - соответствующие этим временам объемы пропущенной через образец воды при скоростях пропускания т\, а2.
ВЫВОДЫ
Создан лабораторный стенд, с помощью которого можно определять параметры подвижности загрязнителя в почве при моделировании воздействия атмосферных осадков на загрязненные почвенные образцы. Полученные данные могут быть использованы для разработки рекомендаций по мониторингу загрязнений почвы в производственных процессах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. Введ. 01.01.1986, с изменениями от 16.01.2009. М. : Стандартинформ, 2009. 8 с.
2. Изучение поведения техногенных загрязнений мышьяком и тяжелыми металлами в почве : отчет о НИР / ИПМ УрО РАН ; Рук. Петров В.Г.; испол.: Шумилова М.А., Набокова О.С. и др. Ижевск, 2011. 64 с. Инв. № 76.
3. Киреев В.А. Курс физической химии. М. : Химия, 1975. 776 с.
4. Ладонин, Д.В. Соединения тяжелых металлов в почвах - проблемы и методы изучения // Почвоведение. 2002. № 6. С.682-689.
5. Петров В.Г., Набокова О.С., Фризоргер Г.Г. Обезвреживание территории после уничтожения химоружия // Промышленная и экологическая безопасность. 2010. № 7 (45). С.7-10.
WAY OF STUDYING IN LABORATORY CONDITIONS OF MOBILITY OF TECHNOGENIC POLLUTIONS IN SOIL
Petrov V.G., Shumilova M.A.
SUMMARY. The way of an estimation of mobility in soil of technogenic pollutions is developed. The laboratory experimental stand on which influence of an atmospheric precipitation on the polluted soil is modelled is for this purpose applied. For definition of parametres of mobility of pollution in soil elements of the theory of heterogeneous chemical processes are used.
KEYWORDS: technogenic pollutions, mobility in soil, a way of research.
Петров Вадим Генрихович, доктор химических наук, заведующий лабораторией ИМ УрО РАН, тел (3412) 21-89-55, e-mail: petrov@udman.ru
Шумилова Марина Анатольевна, кандидат химических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail: mashumilova@mail.ru
