Первичные процессы взаимодействия радионуклидов с почвой

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В "чистом" виде взаимодействие радионуклидных загрязнений с почвой реализуется при выпадениях на поверхности, свободные от растительности. В условиях естественных экосистем поверхности, свободные от растительности, наблюдаются реже.

На территории России это могут быть отдельные участки в зоне сухих степей и полупустынь с разреженной растительностью и засоленными почвами, участки с мертвым опадом под хвойными насаждениями в условиях таежной зоны, «пятна» полигональных тундр и отдельные участки торфяников в зоне тундры. В условиях степных или луговых экосистем может происходить первичное взаимодействие радионуклидов с поверхностью дернового горизонта, если выпадения произошли в периоды между вегетациями растений. Так, на целинных участках, на естественных лугах и пастбищах радионуклиды задерживаются в самом верхнем слое (0--5 см).

С почвой активно взаимодействуют только мобильные формы радионуклидов, способные образовывать истинные растворы в составе атмосферных осадков или в почвенной влаге, а также молекулярные формы некоторых радионуклидов для которых возможно взаимодействие с твердой фазой почвы непосредственно из воздуха, минуя жидкую фазу. Однако в большинстве случаев первичные взаимодействия радионуклидов с почвой осуществляются через почвенный раствор, т. е. начальным актом взаимодействия является переход радиоактивных загрязнений в жидкую фазу почвы.

Почва является уникальным природным сорбентом благодаря исключительно сложному вещественному составу, в котором наблюдают практически все известные виды сорбционных взаимодействий. Она в той или иной степени способна к поглощению практически любых веществ.

В большинстве случаев сорбционные взаимодействия радионуклидов с почвой протекают с высокой скоростью. В специальных исследованиях установлено, что состояние, близкое к сорбционному равновесию, устанавливается за первые минуты взаимодействия, при этом в твердую фазу почвы переходит порядка 99% из общего количества радионуклида, выпавшего на поверхность почвы.

Поведение радионуклидов в почвах в зависимости от агрохимических показателей почв.

Каждая почва в естественном состоянии содержит определенное количество обменно-поглощенных катионов Са, Н, Mg, Na, К, NH4 , A1 и др. В большинстве почв среди них преобладает Са, второе место занимает Mg, в некоторых почвах в поглощенном состоянии в значительном количестве содержится Н и обычно относительно немного Na, К, NH4 и А1.

Характер взаимодействия радионуклидов с ППК в общем можно представить следующей схемой обменной реакции:

ППКМ + Т-ППКТ + М,

почвенный радионуклид минералогический сорбционный

Где ППК--почвенный поглощающий комплекс; М -- ионы элементов поглощающего комплекса; Т -- ионы радионуклидов.

Степень сорбции радионуклидов зависит не только от количества обменных катионов, но и от содержания их в растворе. С увеличением концентрации сопутствующих катионов в растворе уменьшается количество 90 Sr и 137Cs, сорбированных твердой фазой почвы. Присутствие кальция в растворе снижает сорбцию 90 Sr твердой фазой почвы, а наличие калия в растворе уменьшает поглощение I 37 Cs почвой. Миграция в биосфере, в частности в почве и системе почва -- растение, микроколичеств 90 Sr и 137 Cs тесным образом связана с перемещением их химических аналогов -- кальция и калия, которые присутствуют в большинстве биологических объектов в макроконцентрациях.

Выявлено совершенно различное поведение в процессе поглощения почвами двух пар сходных между собой по химическим свойствам элементов: с одной стороны, стронция и кальция, а с другой -- цезия и калия

Сорбция почвой имеет исключительное значение для всей дальнейшей судьбы радионуклидов в экосистеме. Благодаря сорбции резко уменьшается возможность перемещения радионуклида в почве и его поступления в растения, т. е. снижается его подвижность.

Конкретный уровень уменьшения подвижности радионуклида определяется типом почвы и химической формой конкретного радиоактивного изотопа. Здесь можно выделить общую закономерность: доля переходящего в твердую фазу почвы радионуклида возрастает (соответственно его концентрация в почвенном растворе снижается) и прочность сорбционного закрепления увеличивается при переходе от почв легкого гранулометрического состава (пески, супеси) к почвам тяжелого гранулометрического состава (тяжелые суглинки, глины). Та же закономерность прослеживается при переходе от низко- к высокогумусированным почвам. Указанные закономерности объясняют как изменением общей сорбционной емкости почвы, так и изменением содержания тех ее компонентов, которые обеспечивают особенно прочное, практически необратимое удержание радионуклидов.

Роль гранулометрического и минералогического состава почвы в процессе сорбции радионуклидов.

Гранулометрический состав. На сорбционные процессы радионуклидов в почвах влияет гранулометрический состав почв. Это обусловлено тем, что емкость поглощения почвы зависит от содержания в ней высокодисперсных частиц. К. К- Гедройц указывал, что основную роль в обменной способности почв играет илистая фракция, а роль более крупных механических элементов почвы в физико-химическом поглощении мала. Фракция почвы, частицы которой крупнее 0,001 мм, обладает емкостью поглощения от 0,12 до 13,4 мгэкв., а фракция частиц меньше 0,001 мм -- от 20,6 до 107,4 мг-экв. на 100 г. Почвы, содержащие большее количество высокодисперсных частиц (размером менее 0,001 мм), характеризуются высокой емкостью поглощения.

Известно, что отдельные фракции почв различаются не только размером частиц, но и физическими, химическими свойствами и минералогическим составом. С уменьшением размеров частиц снижается содержание оксида кремния, возрастает количество полуторных оксидов железа и алюминия и, что особенно важно для процессов сорбции радионуклидов, повышается содержание гумуса и обменных катионов кальция, магния и калия. Наибольшим содержанием органического вещества обладают мелкопылеватые и илистые частицы. В более крупных фракциях (средней и крупной пыли) содержание гумуса резко падает, во фракции мелкого песка гумуса практически нет.

Установлено, что гранулометрический состав почвы влияет на прочность закрепления микроколичеств радионуклидов. Тяжелыми почвами поглощенные радионуклиды, особенно 137 Cs, сильнее закрепляются, чем легкими. С уменьшением размера фракций почвы прочность закрепления ими 90 Sr и 137 Cs повышается. Наиболее прочно закрепляются радионуклиды илистой фракцией.

Поглощение радионуклидов фракциями почв было довольно полным. Исключение составляет мелкий песок, где сорбированного 90 Sr меньше, чем в остальных фракциях почвы. Поглощение же 137 Cs даже мелким песком составляло около 99 %. Свойства частиц разного размера больше влияют на прочность закрепления 137 Cs, чем на величину его поглощения. Более всего десорбируется 137 Cs в 1,0 н растворе хлористого калия из мелкого песка, средней и крупной пыли. Из илистой фракции почв 137 Cs вытесняется всего около 3 %.

Значительная часть 137 Cs остается в почве в прочно связанной, фиксированной форме. Даже песчаные фракции почв, которые практически не содержат гумуса, обладают способностью прочно закреплять микроколичества поглощенного I 37 Cs. Например, во фракции мелкого песка дерново-подзолистой почвы и чернозема остается невытесненным после трех обработок хлористым аммонием 37--45 % поглощенного количества цезия. Это свидетельствует о том, что в сорбции 137 Cs большое значение имеет минеральная часть почвенных частиц.

Важнейшими из данных компонентов являются глинистые минералы, особенно спектитовой группы, на которых осуществляется необменная фиксация 137Cs; различные формы гидроксидов, фосфатов и карбонатов, некоторых возможно соосаждение большинства радионуклидов, образующих поливалентные катионы; гумусовые вещества, входящие в состав твердой фазы почвы, способные прочно удерживать поливалентные формы радионуклидов за счет образования комплексных и внутрикомплексных соединений. Благодаря сорбции имеют место две важнейших особенности, характеризующие поведение радионуклида в почвах и наземных экосистемах:

1) Относительно низкое поступление радионуклида из почвы в растение. Даже из песчаных почв, обладающих минимальной сорбционной способностью, за один вегетационный период переходит всего несколько процентов радионуклида от его исходного содержания в почве.

2) Незначительная вертикальная абиотическая миграция радионуклида в почвах и крайне низкая вероятность загрязнений грунтовых вод.

В естественных почвах ненарушенного сложения благодаря сорбции около 90% поступивших на поверхность радионуклидов удерживаются слоем почвы толщиной 5-10 см в течение десятков лет.

Естественно, что вынос из почвы различных радионуклидов отдельными видами растений существенно различается, как различаются и особенности абиотической миграции радионуклидов в почвах разного типа. Важную роль в первичном взаимодействии радионуклидов с почвой играет ее агрегированность. т. е. наличие более или менее выраженной комковатой структуры. Агрегированность практически не выражена в песчаных почвах, но в суглинистых образуются механически прочные и устойчивые во времени агрегаты разного размера, большая часть которых составляет 1-20 мм. В связи с этим первичное сорбционное взаимодействие радионуклидов с агрегированными почвами происходит не со всей почвенной массой, а только с поверхностью почвенных агрегатов.

Благодаря этому радионуклид имеет крайне неоднородное распределение в почвенной массе, формируются очень высокие первичные градиенты его концентрации. Такой тип первичного распределения существенно влияет как на поступление радионуклида из почвы в растение, так и на его абиотическую миграцию; оба эти процесса протекают гораздо интенсивнее в условиях первичной локализации вещества на поверхности агрегатов. Транслокация в растения усиливается благодаря тому, что активные корни также в той или иной степени локализованы на поверхности почвенных агрегатов. Первичная абиотическая миграция в агрегированных почвах протекает интенсивнее благодаря локализации потоков почвенной влаги в межагрегатном пространстве и неучастию значительной части сорбционного комплекса почв (внутриагрегатной массы почвы) в сорбционном закреплении радионуклида. В связи с этим иногда складывается парадоксальная ситуация: на почвах с повышенной сорбционной емкостью (но с хорошо развитой агрегированностью) наблюдают более глубокое первичное вертикальное проникновение радионуклидов, чем в песчаных почвах со слабо выраженными сорбционными свойствами.

Особый характер первичных взаимодействий и распределения радионуклидов отмечается при загрязнении органогенных почв и горизонтов: торфяников, лесных подстилок, поверхности дернины и др. Особенность этих горизонтов - относительно менее прочное сорбционное связывание ими большинства радионуклидов по сравнению с минеральными почвами. Как следствие - более интенсивная абиотическая миграция радионуклидов и повышенное поступление их в растения, ускоренное протекание процессов их вторичного перераспределения в органогенных почвах, включения радионуклидов в биогеохимические циклы.

Скорость изменения характера первичного распределения радионуклида зависит от многих факторов. Зачастую картина, в целом, может оставаться достаточно стабильной в течение многих лет, поскольку сорбционное закрепление радионуклидов почвой является мощным сдерживающим фактором, препятствующим вторичному перераспределению и распространению (рассеянию) загрязнении в результате абиотической миграции и поступления их в растения.

Однако многие природные процессы и антропогенные воздействия, такие как включение загрязнений в биогеохимические циклы, водная и ветровая эрозия, сельскохозяйственная обработка почвы и др., могут приводить к очень быстрому вторичному рассеянию и перераспределению радионуклидных загрязнений между различными компонентами экосистем, ландшафтов, вплоть до глобальных перемещений.

Поступление нуклидов в почве и их взаймодействия с почвой осуществляется когда они переходят в жидкую форму. Т.е они взаимодействуют с почвой в растворимых вид. Так же и поступление и проникновение в почве после их выпадния на поверхности почвах зависит от много факторов таких как, типов почв, механических соства почв, макро и микро химических элеметов в почвах и так же от органо-минеральных частей почв.

Различные радионуклиды в почвах одного и того же типа имеют различную скорость миграции. Скорость диффузии зависит от типа почв и их свойств, а так же от влажности и температуры почв.

Размещено на Allbest.ru