Перенос почва – вода

Перенос загрязняющих веществ на границе раздела почва – вода играет важную роль в процессе загрязнения вод в результате применения химических препаратов или их поступления в почву с дождем, в результате искусственного орошения и собственно переноса этих веществ в почве, например, в виде водных растворов. Основную роль при переносе загрязняющих веществ через границу почва – вода играют процессы адсорбции. Почва играет роль адсорбента.

Перемещение веществ в почве происходит вследствие следующих процессов:

- диффузии. Диффузия происходит вследствие хаотического молекулярного теплового движения, главным образом, в жидкой и газовой фазе. Диффузия (диффузный массоперенос) – это физический процесс, в ходе которого молекулы, атомы или ионы в результате теплового (броуновского) движения перемещаются из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. В пористом объеме почвы диффузия идет медленнее, чем в свободной жидкости. Сумма всех замедляющих диффузию факторов количественно оценивается импедансом. Импеданс – это коэффициент пропорциональности между коэффициентом диффузии, измеренным в почве и в свободной жидкости. Он изменяется в зависимости от вида растворенных молекул и типа почвы;

- массопереноса. Он протекает с участием воды, а ее перемещение обусловлено внешними силами, например, силой тяжести. В естественных условиях вода фильтруется через почву в результате выпадения дождей или искусственного орошения. Находящиеся в почве вещества проникают с водой и распределяются по профилю почвы. Различные вещества проникают на разные глубины;

- адсорбции. Она играет основную роль в процессе перемещения токсикантов в почве, а также при их испарении из почвы и поглощении растениями. Адсорбция замедляет процесс массопереноса в почве. Десорбция адсорбированных веществ водой или солевыми растворами никогда не идет до конца. Это означает, что адсорбция обычно обратима не полностью. Не десорбирующаяся часть состоит из прочносвязанных молекул, которые можно снять с поверхности только интенсивной экстракцией органическими растворителями и «связанного остатка». Связанный остаток - это продукт реакций загрязняющих веществ с гуминовыми компонентами почвы. Также происходить необратимое встраивание загрязняющих веществ в слоистую структуру глинистых минералов или в пустоты гуминовых макромолекул.

Кроме этих процессов необходимо учесть еще ряд таких процессов:

• сток, сопровождающийся смещением в сторону;

• подъем воды из глубины почвы, вызванный испарением с поверхности;

• проявлением трехфазных равновесий между самим веществом, его водным раствором и тем же веществом, адсорбированным на различных компонентах почвы;

• перенос вдоль трещин, ходов дождевых червей и других макропор.

Перенос вода – воздух

Хорошо растворимые вещества, попадая в воду, переносятся на значительные расстояния. На пути миграции они могут частично оседать в почве. Ряд веществ, имеющих достаточно высокое равновесное давление паров, легко переходят из воды в атмосферный воздух. И дальнейшая их миграция происходит и воздушным, и водным путем.

Нерастворимые в воде вещества в зависимости от их плотности могут образовывать пленку на поверхности воды или опускаться вглубь потока воды. В первом случае они мигрируют вместе с потоком воды, во втором – постепенно оседают на дно водоема, загрязняя почву. Нерастворимые и малорастворимые вещества легче адсорбируются.

Переход загрязняющих веществ в природных условиях из водного раствора в атмосферу называют летучестью. Этот процесс осуществляется в результате диффузии, обратный перенос называют сухим осаждением в воду.

Скоростью улетучивания называют поток массы вещества, проходящий через границу вода- воздух; она определяется как количество вещества, проходящее через единицу площади в единицу времени. Эта скорость пропорциональна разности концентраций соответствующего вещества в обеих фазах.

Если обозначить исходную концентрацию токсиканта в воде С₀, а начальную концентрацию в воздухе принять равной нулю то концентрация в водном растворе экспоненциально уменьшается во времени в соответствии с кинетическим уравнением реакции 1-го порядка:

где L – глубина относительно поверхности воды, м;

t – время, с.

Перенос почва – воздух

Процессы переноса между почвой и воздухом наиболее сложные, т.к. здесь большое значение имеют обменные процессы жидкость/твердая фаза, жидкость/газ, твердая фаза/газ.

Переход вещества из почвы в атмосферу путем диффузии в природных условиях называют летучестью из почвы, а обратный процесс – сухим осаждением в почву.

Летучесть с влажной поверхности почвы существенно выше, чем с сухой. Вынос молекулы воды и загрязняющего вещества из почвы происходит независимо друг от друга. Увеличение летучести из влажной почвы по сравнению с сухой в большой степени объясняется частичной десорбцией загрязняющих веществ соединений при их вытеснении водой. Этот факт указывает также на то, что летучесть загрязняющих веществ с влажной поверхности почвы происходит преимущественно из жидкой фазы.

Загрязняющие вещества, которые попадают в толщу почвы, переходят из более глубоких слоев к обедненному слою, и этот процесс становится фактором, лимитирующим скорость испарения для веществ, имеющих высокую константу Генри (например, линдан). Для веществ с малой константой Генри (например, прометон), напротив, происходит обогащение им поверхности почвы. При переносе растворенных загрязняющих веществ из нижних слоев почвы в верхние диффузия играет существенную роль только в том случае, если речь идет о газах и легколетучих веществах. Большей частью перенос вверх происходит за счет конвекции и капиллярных сил. Этот эффект называют «фитильным».

Летучесть загрязняющих веществ из почвы в атмосферу зависит и от других условий окружающей среды, например свойств почвы, температуры и скорости ветра. Сухое осаждение загрязняющих веществ из атмосферы на почву происходит по тем же законам, что и испарение из почвы.

Другим путем переноса вещества из почвы в атмосферу является перенос с пылью (ветровая эрозия), а в обратном направлении – сухое иди влажное осаждение. Эти процессы зависят от физико-химических свойств вещества, а также типа почвы и климатических условий.

Вопросы для самопроверки:

1. Привести определение техносферы.

2. Как можно классифицировать все химические реакции, протекающие в окружающей среде?

3. Какие существуют абиотические превращения загрязняющих веществ?

4. Какие существуют биотические превращения загрязняющих веществ?

5. Охарактеризовать четыре основных типа миграции химических элементов в окружающей среде.

6. Охарактеризовать миграцию веществ в почве и на границе раздела фаз почва-воздух, почва-вода.

7. Охарактеризовать миграцию веществ в воде и на границе раздела фаз вода-воздух.