CC BY
34
ВОЗДЕЙСТВИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
ВЛИЯНИЕ ГУМАТОВ НА ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
М.А. Некрасова, П.Н. Суслов
Экологический факультет, Российский университет дружбы народов, Подольское шоссе, 8/5, 113093, Москва, Россия
Дисперсные грунты способны поглощать большое количество загрязняющих веществ. Интенсивность массопереноса в таких системах определяется параметрами двойного электрического слоя (ДЭС). Эти параметры напрямую зависят от таких свойств как пористость, влажность, минеральный состав и дисперсность грунтов, а также от химического состава порового раствора.
Высокодисперсные объекты природно-техногенных систем (ПТС) естественного и искусственного происхождения способны к поглощению большого количества загрязняющих веществ. Самоочищение, т.е. вынос загрязняющих веществ из таких систем или их разложение — процесс достаточно длительный. Поэтому, для обоснования выбора оптимального комплекса мер по реабилитации таких объектов ПТС используют сведения об их элекгроповерхно-стных свойствах, которые позволяют оценить эффективность применения элекгрокинетического, термоосмотического или диффузионно-осмотического способов очистки.
Очевидно, что интенсивность массопереноса в таких системах определяется параметрами двойного электрического слоя. Эти параметры напрямую зависят от таких свойств дисперсных объектов как пористость, влажность, минеральный состав и дисперсность, а также от концентрации и химического состава порового раствора. Одним из перспективных методов реабилитации высокодисперсных объектов ПТС, загрязненных тяжелыми металлами (ТМ), является внесение в них препаратов на основе гуминовых кислот. Например, в почвах и грунтах гуматы выполняют протекторные функции, иммобилизуя ТМ и снижая их токсичность за счет образования хелатных комплексов. Внесение солей гуминовых кислот в высокодисперсные объекты приводит к снижению их проницаемости и повышению поглотительной способности. Поэтому вопросы изменения электроповерхностных свойств и строения ДЭС разногумусированных высокодисперсных объектов ПТС, контролирующих приоритетность механизмов массопереноса, являются актуальными в области экологической мелиорации ПТС.
На современном этапе развития экспериментальной базы для исследования электроповерхностных свойств и элекгрокинетических явлений в высокодисперсных объектах используют электрокинетические ячейки различной конструкции, которые позволяют определять объемную скорость электроосмоса при различных концентрациях порового раствора и параметров постоянного электрического тока, с последующим аналитическим расчетом параметров ДЭС [2, 3].
Для изучения строения ДЭС и скорости элекгроосмотического массопереноса ионов свинца в образцах супеси, глины и известняка с гуматом калия
разных концентраций нами была использована двухкамерная электроосмоти-ческая ячейка (рис.1). Уплотняющие перфорированные цилиндры выполняют функции боковой камеры, в которую заливался раствор электролита, равновесный поровому исследуемого грунта. Расход жидкости при элекгроосмо-се и передвижении раствора из одной камеры в другую определялся по передвижениям мениска в отсчетном капилляре. Такой эксперимент позволяет моделировать процессы массопереноса, возникающие в различных почвах и грунтах при их постепенном засолении и загрязнении.
Исследования проводились на модельных и природных образцах грунта с естественным и искусственно созданным содержанием ионов свинца, т.к. свинец является одним из самых распространенных загрязнителей, обладающих высокой токсичностью и достаточной легкостью определения. Выбор грунтов с различной дисперсностью и составом глинистых минералов обусловлен их широким распространением в природе и существенным различием в свойствах, наиболее важным из которых являлась влажность и емкость обмена. Большинство экспериментальных исследований проводились на образцах полиминеральной супеси при влажности, близкой к влажности нижнего предела пластичности.
Рис. 1. Общий вид элекгроосмотической двухкамерной ячейки - вид спереди
Методика экспериментальных исследований элекгроосмотического массопереноса ионов свинца в природных дисперсных средах (грунты, почвы, горные породы) состояла из нескольких стадий. Первой была стадия отбора и подготовки образцов. Вторая стадия заключалась в изучении свойств выбранных дисперсных сред, которая проводилась на основе стандартных методик. На основной стадии проходили электроосмотические испытания выбранных образцов в различных условиях.
Пасты готовились на основе почв, грунтов и горных пород с нарушенной структурой путем добавления растворов солей различной концентрации и гуминовых кислот при различных влажностях. В ходе эксперимента для каж-
дого образца были выявлены значения постоянного электрического тока, при котором начиналось движение в отсчетных капиллярах. А также значения влажности (рис. 2), при которой скорость элекгроосмотического массопере-носа была максимальной (W=23%).
Стадия обработки результатов электроосмотических испытаний являлась завершающей. На основании полученных в ходе эксперимента данных, для более точного расчета скорости элекгроосмотического переноса строился график зависимости Q=f(I) объемной скорости элекгроосмоса от силы тока. Этот график имеет линейный вид и выходит из начала координат. По углу наклона получившейся зависимости определялось среднее значение электро-осмотического переноса. После этого на базе программного обеспечения Ms Excel была разработана оригинальная программа для расчета параметров ДЭС на основе результатов аппроксимации экспериментальных данных и физикохимических свойств образцов.
В результате проведенных исследований были получены зависимости скорости элекгроосмотического переноса от концентрации нитрата свинца и гумата калия (ГК) в поровом растворе, а также от влажности, дисперсности и минерального состава отобранных образцов (рис. 2-4).
Анализ результатов проведенных исследований подтверждает закономерности, установленные для различных капиллярно-пористых систем и диафрагм, где с увеличением концентрации порового раствора электролита происходит сжатие диффузного слоя ДЭС и снижение значений ^-потенциала, что соответствует теоретическим представлениям о сжатии ДЭС [1, 2]. График изменения скорости элекгроосмотического массопереноса ионов свинца при изменении концентрации имеет вид плавной кривой с максимумом, наблюдаемым при концентрации электролита равной 0,01 Н, и последовательным убыванием скорости элекгромассопереноса при дальнейшем увеличении или уменьшении концентрации порового раствора. Снижение скорости массопереноса в грунте вероятно связано с тем, что при концентрации порового раствора примерно равной 0,01 Н диффузные слои имеют наибольшую толщину, а коэффициент элекгроосмоса — наибольшие значения. При дальнейшем увеличении концентрации порового раствора от 0,01 Н до 0,1 Н диффузные слои начинают сжиматься за счет увеличения количества ионов в растворе, что ведет к падению значений коэффициента элекгроосмоса (Кдо). В случае дальнейшего увеличения концентрации до 0,5 Н толщина диффузного слоя резко сокращается, ионы из диффузного слоя переходят в адсорбционный, при этом Кэо существенно снижается (рис. 5, 6).
Таким образом, влияние состава и концентрации электролита порового раствора отражается на строении двойного электрического слоя, с ростом концентрации происходит увеличение, а затем, по мере сжатия диффузной части ДЭС, уменьшение скорости элекгроосмоса.
В ходе эксперимента была выяснена зависимость скорости элекгроосмотического переноса от влажности образцов (рис. 2, 3), которая является существенным фактором, влияющим на ^-потенциал и параметры элекгроосмоса. Электроосмотическое передвижение порового раствора в грунте начинается при влажности, близкой к нижнему пределу пластичности, когда в поровом пространстве образуется осмотически поглощенная вода. Увеличение скорости элекгроосмотического переноса и ^-потенциала связано с увеличением толщины поверхностных слоев воды в поровом пространстве дисперсных грунтов.
Установлено, что влажность является существенным фактором, влияющим на ^-потенциал и параметры элекгроосмоса. Максимальные значения скорости элекгроосмоса отмечаются при'влажности, близкой к влажности набухания.
— О —0,001 Н —0,01 Н — 0,1 н
Рис. 2. Зависимость объемной скорости злектроосмотического массопереноса от влажности при различных концентрациях нитрата свинца
0.001 — шЗ 0,01 гиЭ0,1 — гкЗ 0.5
Рис. 3. Зависимость алектрокинетического ^-потенциала от влажности при различных концентрациях нитрата свинца
Непосредственное влияние на элекгроповерхностные явления в выбранных грунтах оказывает также концентрация гумата калия. Выявлено, что при любых концентрациях гумата калия в супеси максимальные скорости отмечаются при концентрации электролита порового раствора 0,01 Н. Минимальные значения скоростей, как ввдно из рис. 4, характерны для концентраций порового раствора 0,5 Н, что обусловлено сжатием диффузной части двойного электрического слоя и уменьшением скорости злектроосмотического массопереноса. Падение скорости злектроосмотического массопереноса отмечалось при концентрации гумата калия 5*10'6 мг/кг и достигало минимальных значений при концентрации раствора электролита 0,5 Н. При дальнейшем увеличении концентрации гумата калия наблюдается увеличение скорости элекгро-массопереноса, а затем его последовательное снижение (рис. 4, 5).
Выявлено, что в чистой супеси, без гумата калия, наблюдаются более высокие скорости электроосмоса, чем в присутствии гумата калия при концентрации 5*10 6 мг/кг. По всей видимости, это связано с тем, что гуматы активно модифицируют свойства и геометрию порового пространства грунтов.
Концентрацщгумата калия, мг/кг
0,001 РЬ(МОЗ)2 ---0,01 РЬ(МОЗ)2
-^0.1 РЬ(1МОЗ)2 —0.5 РЬ(1МОЗ)2
Рис 4. Зависимость скорости электроосмотического массопереноса от концентрации гумата калия
-*-ГКЗ\АП7 -*-ГКЗ Wt9 — ГКЗ\№23 — ГКЗ W30
*ГК1,Ш17 -*-ГК2Ш17 -*-ГК4ИИ7
Рис 5. Зависимость элеюрокинетического ^-потенциала от концентрации порового раствора при различных концентрациях гумата калия и влажностях (гк1=4*10‘5, гк2=2*10‘5, гкЗ=1*10'5, гк4=5*10'6 мг/кг)
Влияние минерального состава на параметры электроосмоса в дисперсных грунтах проявляется через дисперсность и гидрофильность составляющих их минералов, а также через природу .минеральной поверхности. Исследования проводились в грунтах нарушенной структуры с дисперсностью увеличивающейся в ряду супесь—известняк—тяжелая глина. В эксперименте использовали грунты, как мономинерального, так и полиминерального состава. В ходе исследований были выявлены 2 типа зависимостей. Первый тип характерен для грунтов полиминерального состава с преобладанием в глинистой фракции карбонатов (известняк и супесь) и имеет максимум при концентрации
порового раствора электролита 0,01 Не ярко выраженным минимумом при концентрации 0,001 Н (рис. 6). Второй тип характерен для мономинерального состава грунта (тяжелая гидрослюдистая глина). Данный вид имеет один выраженный максимум при концентрации 0,1 Н. Падение объемной скорости электроосмоса обусловлено увеличением структурного сопротивления грунта (Р) и сжатием диффузной части двойного электрического слоя (рис. 6).
Концентрация порового раствора, Н
Суп*«ь (чнегал)виет. кц Гл имя (мар уи. ,) л и«т. ля
И>»еС1НЛК ХНВРУШ ОГР ) АИСТ. »96 а
Рис. 6. Зависимость скорости электроосмотического массопереноса от концентрации порового раствора в различных дисперсных грунтах
Таким образом, подтверждено, что дисперсность и минеральный состав грунтов определяют строение ДЭС, а, следовательно, и скорость элекгроос-мотического массопереноса, которая увеличивается в ряду: супесь—известняк—тяжелая глина.
Анализ полученных зависимостей позволил установить влияние катионного состава на скорость электроосмоса. Было выявлено, что максимального значения (108,4 см3/А*с) скорость электроосмотического массопереноса достигает в супеси с преобладанием в поровом растворе двухвалентных катионов свинца, в то время как при преобладании в поровом растворе одновалентного катиона натрия скорость массопереноса была существенно ниже и достигала значений 68,6 см3/А*с. По-видимому, это связано с тем, что в зависимости от вида катионов и их положения в электрохимическом ряду напряжений по-разному осуществляется формирование ДЭС на межфазной границе. Это и отражается в значительной мере на скорости электроосмотического массопереноса в грунтах.
Таким образом, в ходе исследоварий были получены зависимости, отражающие влияние различных факторов на ^-потенциал, коэффициент электроосмоса, объемную скорость электроосмотического массопереноса ионов щелочных и тяжелых металлов в грунтах.
Полученные в ходе эксперимента результаты позволяют прогнозировать процессы очищения высокодисперсных слабопроницаемых систем, а также говорить и о процессах самоочистки загрязненных природных дисперсных сред. Значения ^-потенциала, полученные в эксперименте, дают представление о зависимости параметров от гуматов в таких дисперсных системах как
песь, известняк и глина, в зависимости от различных условий (W%, С раствора).
Практическое значение заключается в возможности использования результатов исследования при разработке мероприятий по реабилитации загрязненных территорий. Успешность подобных мероприятий базируется на основе глубокого знания закономерностей миграции загрязняющих веществ в водонасыщенных дисперсных системах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вода в дисперсных системах/,5.2?. Дерягин, Н.В. Чураев, Ф.Д. Овчаренко и др. — М.: Химия, 1989.-288с.
2. Злочевская Р.И., Королев В.А. Элекгроповерхностные явления в глинистых породах. - М.: изд-во МГУ, 1988. — 177с.
3. Некрасова М.А. Закономерности электрохимической миграции ионов металлов и жидких углеводородов в дисперсных грунтах: Канд. Дисс. — М., 1999. - 192с.
THE INFLUENCE OF THE HUMATES ON ELECTROKINETIC PROPERTIES OF SOILS
M.A. Nekrasova, P.N. Suslov
Ecological Faculty, Russian Peoples ’ Friendship University,
Podolskoye shosse, 8/5, 113093, Moscow, Russia
Dispersed soils are able to adsorb plenty of polluting substances. Double Electric Layer (DEL) characters determine masstransfer intensity in such systems. These parameteis depend on such soil properties as humidity, porosity, mineral composition and dispeisivity, and also on concentration and chemical composition of pore solution.
