Physicochemical properties of the mineral horizons under the peat deposits in Western Siberia surface.pdf Кислотность и кислотно-основная буферность почв в значительной мере являются продуктами почвообразования и представляют собой фундаментальные характеристики, контролирующие подвижность химических элементов, в том числе многих элементов питания и поллютантов в почвах и ландшафтах. Показатели кислотности почв оценивают при решении проблем химии почв, агрохимии, при инженерно-экологических изысканиях. К настоящему времени сформулирована концепция кислотности и кислотно-основной буферной способности почв, разработаны подходы к их изучению. Вместе с тем многие теоретические и методические аспекты остаются дискуссионными. Около 50-60% объёма и до 90-97% массы почвы составляют минеральные компоненты [1]. В связи с этим возникает необходимость изучения кислотно-основных свойств как образцов различных почв, так и отдельных компонентов почв для лучшего понимания процессов, происходящих в почвах, в частности для определения их емкостной способности поглощать и стабилизировать органические вещества, проникающие из торфа в подстилающие минеральные горизонты. Особенно актуально это для минеральных горизонтов под мерзлыми болотами, так как при потеплении климата они могут войти в активный слой почвообразования, выступая барьерами на пути мигрирующих органических соединений в растворенной и коллоидной формах [2]. Цель данного исследования - изучение кислотно-основного состояния поверхности образцов минеральных горизонтов, залегающих под торфяной залежью болот Западной Сибири. Образцы отбирались из почвенных горизонтов, которые находятся под торфяной залежью либо потенциально могут оказаться под ней при заболачивании. Важным является изучение их способности к сорбции органических веществ из радиально мигрирующих почвенных растворов. Это необходимо, с одной стороны, для оценки потенциала стабилизации углерода в минеральных горизонтах под торфяными залежами, а с другой - для понимания механизмов изменения концентраций водорастворимого органического углерода в водах при их внутриландшафтной миграции. Первоочередной задачей было определение базовых химических и физико-химических параметров горизонтов, которые могут влиять на их сорбци-онную активность по отношению к водорастворимым органическим веществам. Важность анализа образцов заключается и в том, что по мере потепления климата замерзшие торфяные залежи севера будут протаивать вплоть до минеральных горизонтов с включением последних в активный слой. Экспериментальная часть В работе исследовано 6 образцов, обозначенных как Х1-Х6. Образцы Х1 и Х2 отобраны в подзоне южной тайги, в области распространения талых олиготрофных (верховых) болот. Образцы Х3-Х6 отобраны в криоли-тозоне, в области распространения мерзлых болот. Образец X1 - глеевый горизонт, по гранулометрическому составу относится к песку, преимущественно кварц-полевошпатового состава, имеется незначительная примесь илистых частиц (размером менее 1 мкм). Образец отобран на Обь-Томском междуречье, на окраине болотного массива. Образец X2 - переходный к почвообразующей породе горизонт в подзолистой глееватой почве. Имеет глинистый гранулометрический состав. Преобладают частицы двух фракций: 1) пылеватая фракция (размер 50-10 мкм) и илистая (< 1 мкм). В пы-леватой фракции преобладают кварц и полевые шпаты, в илистой фракции - иллиты и монтмориллонит, а также гидрослюды. Образцы X3, X5 -песчаные горизонты, извлеченные из BHF горизонта под торфяной залежью бугристого болота в северной тайге, в бассейне реки Пякупур. Две повторности. Эти горизонты залегают непосредственно под торфяной залежью, в них происходит вмывание железо-органических комплексов, которые сорбируются совместно с железом на песчаных частицах и обогащают горизонт углеродом органических соединений, что проявляется в его цвете кофейных оттенков. Образец X4 - суглинистый горизонт, Bh из-под торфяной залежи мерзлого болота. Образец отобран в средней части бассейна реки Пур, в граничной полосе между лесотундрой и северной тайгой Западной Сибири. Их минералогический состав представлен первичными алюмосиликатами, кварцами, полевыми шпатами, значительно меньше слюд и роговой обманки. Образец X6 - горизонт аналогичен предыдущему, но отобран с участка, прилегающего к болоту. В этом горизонте больше содержание илистой фракции. Для указанных образцов проведено определение удельной поверхности методом БЭТ [3] и кислотно-основных свойств их поверхности методом рН-метрии [4, 5]. Измерение удельной поверхности и пористости образцов проводилось с использованием автоматизированной сорбционной установки 3Flex производства Micromeritics (США) по низкотемпературной адсорбции азота [6]. Для характеристики кислотно-основных свойств поверхности почвенных образцов изменение рН их водных суспензий с момента образования до достижения электрохимического адсорбционного равновесия регистрировалось через каждые 5-10 с по показаниям иономе-ра ИТАН со стеклянным и хлорсеребряным электродами. Результаты и их обсуждение Данные измерения удельной поверхности и пористости образцов представлены в табл. 1 и 2. Предварительная обработка образцов проводилась при температуре 200°С в течение 2 ч или при температуре 60оС в течение 6 ч. Как видно из табл. 1, исследованные образцы довольно сильно различаются по величинам площади удельной поверхности, что является результатом изменения их пористости, связанной с почвообразованием и исходными свойствами почвообразующей породы. Таблица 1 Значения удельной поверхности и пористости образцов почв Образец Термовакуумная дегазация Зуд, м2/г Интервал спрямления в координатах уравнения БЭТ (P/Po) Суммарный объем пор, см3/г Средний размер пор, нм Х 1 2 ч, 200°С 2,0 0,01-0,13 0,003 6,4 Х 2 65,0 0,05-0,20 0,060 3,7 Х 3 0,3 0,05-0,30 0,002 21,0 Х 4 1,5 0,05-0,30 0,005 16,9 Х 5 0,25 0,05-0,30 0,002 26,2 Х 6 5,0 0,05-0,30 0,011 9,6 В табл. 2 показаны результаты измерения удельной поверхности образцов почв, полученные при изменённых условиях термовакуумной обработки: снижена температура дегазации до 60оС и увеличено время дегазации до 6 ч. Таблица 2 Структурные и адсорбционные свойства почвенных сорбентов Образец Термовакуумная дегазация Sw(bet), м2/г (относит. погрешность Д±10%) Интервал петли гистерезиса (Р/Р0) Характер петли гистерезиса Емкость монослоя Максимальная величина адсорбции при Р/Р0 =1 Х 1 6 ч, 60°С 1,7 0,4-1,0 Довольно широкая 0,030 0,1 Х 2 62 0,4-1,0 Широкая 0,800 1,8 Х 3 0,14 0,7-1,0 Очень узкая 0,002 0,04 Х 4 1,36 0,7-1,0 Узкая 0,025 0,22 Х 5 0,28 0,5-1,0 Очень узкая 0,005 0,06 Как следует из сравнения данных табл. 1 и 2, значения удельных поверхностей для одного и того же образца практически одинаковы, учитывая, что точность метода БЭТ лежит в пределах 5-10%. Однако разные образцы характеризуются как различными величинами площади удельной поверхности, так и отличающимися суммарными объёмами и средним размером пор. В этом отношении обращает на себя внимание образец Х2, имеющий самые большие величины удельной поверхности, суммарного объема пор и наименьший средний радиус пор. На кривых распределения пор по размерам для этого образца максимум приходится на 3,8 нм. Это мезопористый образец с большой удельной поверхностью, преимущественно с мелкими мезопорами. На изотерме адсорбции-десорбции азота (рис. 1) наблюдается широкая петля гистерезиса в интервале относительных давлений Р/Ро (0,4-1). Для других образцов (Х3-Х4) характерны узкие петли гистерезиса, начинающиеся при больших значениях Р/Ро (табл. 2). Анализируя данные табл. 1 и 2, а также рис. 1, можно сделать заключение, что образец 2 является мезопористым образцом, характеризуется наибольшей величиной емкости монослоя и максимальной величиной адсорбции. Образец Х6 можно отнести к крупнопористому. Образцы Х3 и Х5 обладают очень низкой адсорбционной способностью (по отношению к газу-адсорбату азоту), их поверхность является крупнопористой, практически непористой. Можно предполагать, что наибольшей адсорбционной способностью будут обладать почвы Х2, значительно меньшей - Х6, Х1 и Х4, минимальной - Х3 и Х5. О состоянии поверхности твердых тел можно судить по кислотно-основным свойствам их поверхности. Метод рН-метрии - это контроль за изменением pH среды во времени начиная с первых секунд контакта твердого тела с растворителем. Параметрами, характеризующими кислотно-основное состояние поверхности, были выбраны значения рН после 5, 10, 15 и т.д. секунд контакта образца с водой [7] и рН изоионного состояния вещества (рНиис) - значение рН, при котором при наличии в растворе различных ионов устанавливается равная адсорбция кислотных и основных групп на поверхности твердого тела [4, 5]. По результатам исследования строилась зависимость в координатах рНсусп. = f (t). На рис. 2 приведена такая зависимость для образцов Х1-Х6. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Р/Ро Рис. 1. Изотермы адсорбции - десорбции азота на образцах Х2 и Х6, различающихся величинами площади удельной поверхности I 1 1 1 2000 Время, с 3000 Рис. 2. Изменение рН водной суспензии почвенных образцов во времени В табл. 3 представлены результаты определения кислотно-основных свойств поверхности исследованных почвенных образцов. Таблица 3 Кислотно-основные параметры поверхности изученных образцов почв Образец pH0o pH5o ApH5c p^lte ApH№ pH^ ApH^ pHииc Х1 5,35 5,35 0,00 5,35 0,00 5,40 0,05 6,00 Х2 5,35 5,40 0,05 5,50 0,15 5,60 0,25 6,10 Х3 5,35 5,00 -0,35 4,75 -0,60 4,75 -0,60 4,55 Х4 5,35 5,10 -0,24 5,05 -0,30 5,00 -0,35 4,40 Х5 5,65 5,60 -0,05 5,60 -0,05 5,50 -0,15 5,20 Х6 5,95 5,85 -0,10 5,70 -0,25 5,55 -0,40 5,35 Как показали проведенные исследования, образцы почв, взятые в разных местах, отличаются по кислотно-основным свойствам поверхности: характер кислотности изменяется от кислого (Х4, Х3) до слабо кислого (Х5, Х6), приближающегося к нейтральному (Х1, Х2); обладают разной адсорбционной способностью по отношению к адсорбции азота; различие наблюдается также и в величинах площади удельной поверхности образцов и пористости. Эти различия должны отражаться в сорбционном потенциале почвенных горизонтов, их способности к сорбции органических веществ из радиально мигрирующих почвенных растворов [8]. Изучение этого аспекта является предметом дальнейших исследований.

Скачать электронную версию публикации