Круговорот веществ в природе закономерности распределения веществ в окружающей среде. Физико-химические свойства, определяющие перемещение веществ в окружающей среде, страница 10

В этом случае данная зависимость имеет линейны вид – линия с углом наклона 1/n и значением коэффициента адсорбции (точка lgK), соответствующим точке пересечения прямой с осью ординат.

Адсорбционные процессы в окружающей среде связаны прежде всего с адсорбцией химических веществ на частицах почвы.

На адсорбцию значительное влияние показывают свойства адсорбента – применительно к процессам в окружающей среде – свойства важнейшего сорбента – почвы. При этом исключительно важную роль играет природа центров, способных образовывать связи на поверхности, которые определяют сорбционный процесс (об этом более подробно позже, при рассмотрении процессов, протекающих в почве)

В связывании вещества почвой учувствуют и минеральная и органическая составляющие части почвы, причем органическая составляющая играет (важную и) часто определяющую роль – замечено, что адсорбция вещества почвой хорошо коррелирует с содержанием в ней именно органического материала.

Таким образом часто целесообразно определять коэффициент адсорбции, отнесенный к органическому углероду, содержащемуся в почве (). При этом для оценки адсорбции вещества в органическом материале, содержащемся в почве, количество адсорбированного вещества относят не к массе почвы, а к массе в ней органического углерода, т.е. уравнение изотермы в этом случае выглядит как:

Нужно отметить, что для почв различных типов величина К_ос для данного вещества более постоянна, чем коэффициент адсорбции в первом уравнении, т.е. использование Кос оправданно.

Поведение вещества в адсорбционных процессах зависит от его свойств. Свойства адсорбата влияющие на адсорбцию прежде всего: 1 – кислотно-основные свойства (pK), 2- растворимость в воде, 3 – гидрофильность (K_p)/

1) pK органических кислот и оснований

Как отмечалось органические кислоты и основания составляют значительную долю загрязняющих веществ в зависимости от условий они могут существовать в недиссоциированной или заряженной формах, которые значительно различаются по их сорбционным характеристикам. Форма существования определяет растворимость в воде, механизм и соответственно степень адсорбции. Таким образом важным фактором является величина рК соответствующего соединения и сочетание рК-рН среды.

Зная величину рК и зная механизм адсорбции (который определяется свойствами поверхности сорбента), можно предсказать величину адсорбции для различный рН среды и соответственно поведение вещества.

2) растворимость в воде и гидрофобность

Здравый смысл подсказывает, что между растворимостью вещества (в воде) и сорбцией существует обратная зависимость – менее растворимое вещество лучше сорбируется. Обычно это соблюдается, хотя есть отклонения от этой зависимости, которые определяется как химической структурой вещества адсорбата, так и структурой поверхности сорбента и сочетанием этих факторов однако есть общая тенденция: повышение при увеличении коэффициента распределения (3). Итак, рК вещества, растворимость и Кр позволяют оценить адсорбцию.

Диффузия и выщелачивание

Вещество вносимое в наземную среду в конечном итоге попадают в почву. Перемещение вещества в почве (один из основных миграционных процессов) происходит по механизмам диффузии и конвективного массопереноса.

Диффузия – происходит вследствие теплового движения молекул в жидкой (или газовой) фазе (заполняющей пространство между частицами почвы)

Конвективный массоперенос  - перенос вещества каким то носителем (водой), перемещение которого обусловлено некоторой внешней силой, например силой тяжести или капиллярных сил – такой процесс обычно называют выщелачиванием.

Остановимся на этих процессах (диффузия и выщелачивание) обуславливающих миграцию.

Диффузия – физический процесс в ходе которого частицы (молекулы, ионы) вещества в результате теплового (броуновского) движения перемещаются из зоны с большей концентрацией в зону с меньшей.

     Схематическое представление закона Фика

Движущей силой диффузии является разность концентраций в этих зонах.

Основное уравнение диффузии связывает поток вещества с градиентом концентрации, т.е. с изменением концентрации вдоль направления перемещения

 (закон Фика), где

G – поток вещества (масса вещества перемещающегося через единицу площади в единицу времени)

 - градиент концентрации (изменение концентрации вдоль перемещения вещества)

Д – коэффициент диффузии [его можно рассмотреть как число молекул, которые проходят в направлении потока в единицу времени через единицу площади сечения.

Величина Д зависит от  свойств среды и свойств диффундирующего вещества и внешних условий

Некоторые значения коэффициентов диффузии в различных средах.

Эти данные показывают, что диффузия газа О₂ в почве медленнее, чем в свободно объеме, а его диффузия в жидкости протекает на 4 порядка медленнее, чем в газовой фазе.

Замедление диффузии в почве в почве может быть связано с пористостью почвы (уменьшение свободного сечения в одно и то же объеме) и извилистостью пути (поры не прямолинейные)

В тоже время диффузия газов в почву может быть весьма значительной (например дибромэтан). Диффузия вещества в жидкой фазе весьма замедленна.

Таким образом то насколько значительную роль играет диффузия в распределении вещества в почве в значительной степени зависит от его распределением между водной и газовой фазами. Очевидно, на диффузию вещества в почве сильное влияние оказывает его способность адсорбироваться на поверхности частиц, а так же ряд внелних факторов (t⁰) и свойства вещества (ММ) – при увеличении t⁰ и снижении ММ Д увеличивается (таблица – метан и бутан)

Выщелачивание

В этом случае перемещение вещества в почве осуществляется носителем – водой, которая в естественных условиях фильтруется через почву.

Легко выщелачивающиеся вещества загрязняют грунтовые и поверхностные воды, таким образом важно знать те свойства вещества, которые позволяют определить его способность перемещаться по данному механизму и скорость перемещения (выщелачивания)