Адсорбция тяжелых металлов (Zn, Pb, Cu) частицами почвы

Министерство  сельского хозяйства РФ

ФГОУ ВПО  Ярославская государственная сельскохозяйственная академия

 

 

Кафедра экологии

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

Адсорбция тяжелых металлов (Zn, Pb, Cu) частицами почвы

 

 

 

 

 

 

                                   Выполнил: студент

                                                        технологического факультета

                                                 группы 22 Ковалев Андрей

 

 

 

                                      Проверила: доцент

                                     Красотина Т.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ярославль 2011

 

 

Содержание

 

1.Введение.........................................................................................................2

2.Поглощение водорастворимых соединений меди и цинка лесной подстилкой дерново-подзолистой почвы…………………………………………………………………………..3

3.Сорбция  водорастворимых    соединений    меди  и   цинка    лесной   подстилкой…………………………………………………………………….7

5.Заключение………………………………………………………………......9

6.Список литературы ….………….………………………………………......11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

   Почва обладает  способностью накапливать тяжелые  металлы, которые в результате  различных миграционных процессов  могут попадать в организм  человека.

     В поведении  тяжелых металлов в почвах  особенно большую роль играет их взаимодействие с почвенным поглощающим комплексом.

Закономерности поглощения катионов металлов почвой могут существенно  изменяться при введении в систему  катионов других элементов. Это происходит вследствие конкуренции между различными ионами за взаимодействие с почвенными реакционными центрами.

     Интенсивность  конкурентных взаимоотношений между  тяжелыми металлами в почве  определяется количеством свободных  реакционных центров. Следовательно,  наибольшая конкуренция проявляется  в горизонте Е при высоких концентрациях конкурирующих элементов. Среди рассмотренных тяжелых металлов наибольшему влиянию со стороны других элементов подвержен цинк. В системе с двумя тяжелыми металлами, поглощение Zn²⁺ сильнее подавляется Cu²⁺, чем Pb²⁺. В вариантах с тремя тяжелыми металлами в системе при низких концентрациях Zn²⁺, большее влияние на его поглощение начинает оказывать Pb²⁺, а при высоких концентрациях Zn²⁺ - суммарное количество конкурирующих элементов в системе, независимо от их вида. Свинец в наименьшей степени подвержен влиянию со стороны конкурирующих ионов. Уменьшение поглощения почвой этого элемента наблюдается только в вариантах с его высокими концентрациями и в большинстве случаев слабо зависит от вида конкурирующего элемента. Это происходит из-за блокирования конкурирующим элементом «обычных» обменных позиций, за счет которых  идет преимущественное поглощение Pb²⁺ почвой. На уменьшение поглощения Cu²⁺ большее влияние оказывает Pb²⁺, чем Zn²⁺_.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поглощение  водорастворимых соединений меди и цинка лесной подстилкой дерново-подзолистой почвы

 

     Соединения  тяжелых металлов аэрально - техногенного производственного происхождения, попадая на поверхность почвы – в ее органогенные горизонты, оказываются в биохимически активной среде, где идут интенсивные процессы разложения и трансформации растительных остатков, синтез специфических гумусовых веществ. В результате взаимодействия с почвенными органическими компонентами ионы тяжелых металлов включаются в разнообразные органо-минеральные соединения, вследствие чего происходит принципиальное изменение их миграционной способности.

     Собственно  прочность закрепления металлов, соотношение между их концентрацией  в почвенном растворе и запасом  подвижных соединений в составе  твердых фаз, зависят как от свойств самих металлов, так и от особенностей органического вещества. Особенности миграции и аккумуляции ртути в подзолистых, торфяных почвах и горных черноземах подтверждают значительное влияние особенностей органического вещества на поведение этого элемента. Сравнительная оценка подвижности соединений ртути и цинка в почвах подзолистого ряда подтверждает, что несмотря на общую тенденцию обоих элементов к связыванию в органогенных горизонтах, соединения ртути легко десорбируются из почвы слабосолевыми растворами (уже в первую вытяжку может переходить от 30 до 60% от общего запаса ее подвижных соединений), тогда как соединения цинка удерживаются прочнее (выход в первую вытяжку составляет не более 30%). Заметное влияние на прочность закрепления металла в твердых фазах оказывает природа органогенного горизонта: так в подгоризонтах О1, О2 иллювиально-железистых подзолов Кандалакшского заповедника характеризуются гораздо менее высокой буферностью к цинку по сравнению с горизонтами типа АТ, Т перегнойно-торфяно-глеевых и торфяно-болотных почв. Исследователи Yin, You, Allen демонстрируют, что перераспределение меди между твердой и жидкой фазами исследованных ими почв определяется аналогичным распределением соединений органического углерода, тогда как для цинка и никеля, характеризующихся менее высоким сродством к органическому веществу, такой тенденции не обнаруживается.

     Таким образом,  компоненты органического вещества почв в разных условиях по отношению к соединениям различных металлов могут выступать и как фактор миграции, и как фактор аккумуляции. Они играют важнейшую роль в трансформации соединений тяжелых металлов, определяя их подвижность и миграционную способность.

     Для исследования  взаимодействия с лесной подстилкой  меди и цинка были взяты пробы с поверхности дерново-подзолистой почвы Волокамского района Московской области, в августе 1999 г.

     Лесная  подстилка слабо дифференцирована  на подгоризонты L и F, мощность ее 2-4 см. В исследованиях был использован смешанный образец, включающий оба подгоризонта подстилки.

     Подстилка  характеризуется величиной рН_Н2О = 5,56. Для данной подстилки была изучена сорбционная способность по отношению к меди и цинку, а именно, исследованы скорость поглощения соединений металлов из раствора, количества и прочность их закрепления.

     Были изучены  закономерности поглощения цинка  и меди подстилкой в статистических  условиях в зависимости от  степени увлажнения – при соотношениях 1:10, 1:20, 1:30.  Выбранные соотношения  были основаны на средних пределах  количества осадков, выпадающих в летний период в районе исследований. Полученные данные приведены в таблице № 1.

 

 Таблица № 1    Скорость поглощения Cu и Zn подстилкой из раствора при

                                     разных соотношениях твердой  и жидкой фаз

фазы	Скорость поглощения, 10-2 мг/г подстилки в минуту
	Cu			Zn
	соотношение подстилка: раствор
	1 : 30	1 : 20	1 : 10		1 : 30	1 : 20	1 : 10
1 2 3	2,98 0,70 0,09	3,29 0,45 0,07	4,66 0,44 0,05		0,87 0,28 0,06	1,07 0,18 0,05	1,18 0,17 0,04

 

Начальный этап взаимодействия подстилки с раствором характеризуется наиболее высокой скоростью поглощения металлов подстилкой: к₁,_Cu = 2,98*10^-2  и к_1,Zn = 0,87*10^-2 мг/г подстилки в минуту. Удельные скорости поглощения металлов на 2 и 3 этапах выражаются величинами к_2,Cu = 0,70*10^-2, к_3,Cu = 0,09*10^-2 мгCu/г мин и к_2,Zn = 0,28*10^-2 мгZn/г мин. Сопоставление полученных констант показывает, что скорость поглощения меди в первые полчаса взаимодействия ее с подстилкой в 4 раза выше, чем в последующие 1,5 часа и в 33 раза выше по сравнению с предравновесным периодом. Для цинка соответствующие константы различаются в 3 и 14 раз.  

    Преимущественное  поглощение меди происходит не  только из-за более высокой  ее исходной концентрации в  растворе, но, по-видимому, за счет определенной селективности подстилки в отношении этого металла. В пользу этого предложения говорит тот факт, что при исходной концентрации Cu и Zn в растворе в 2,5 раза, поглощенные количества двух металлов различаются в 3,4-3,7 раза в конце первого получаса и в 3-3,1 раза к моменту прихода системы к равновесию. В конечном итоге подстилкой поглощается 75-79% внесенного Zn и 91-95% внесенной Cu, что составляет в сумме около 19 мг – экв/100 г подстилки.

     Выводы:

1. Скорость поглощения металлов подстилкой меняется со временем, наиболее высокая скорость характерна для первых 30 мин взаимодействия фаз вне зависимости от типа металла и степени увлажнения подстилки.
2. Лесная подстилка проявляет селективность в отношении меди, для которой характерны более высокая скорость и доля поглощения из водного раствора по сравнению с цинком. При этом различия в скоростях поглощения двух металлов наиболее заметны в первые 30 мин их взаимодействия с подстилкой.
3. Степень увлажнения подстилки (соотношение фаз) оказывает заметное влияние на скорость и количество поглощения металлов только           впервые 30 мин ее взаимодействия с раствором. Количество поглощенных металлов в состоянии равновесия системы определяется типом металлов и их содержанием в растворе.
4. Время наступления равновесия в системе подстилка-раствор, содержащий ионы металлов, одинаково для обоих металлов, не зависит от соотношения фаз и составляет 12-16 ч.
5. В исследуемом диапазоне нагрузок полного насыщения сорбционной емкости подстилки не происходит. По отношению к Сu подстилка характеризуется более высокой сорбционной емкостью, а при наиболее высоких нагрузках – и прочностью закрепления по сравнению с Zn. Доля поглощения меди составляет 83-96%, цинка 43-95% от внесенных нагрузок.
6. Доля металлов, десорбируемая из подстилки водой, незначительна; при этом для Cu она не зависит от уровня нагрузки и составляет 10,8-3% от ранее поглощенного количества, для цинка при увеличении нагрузки изменяется от 2 до 9,2%.
7. Преимущество в поглощении и закреплении подстилкой меди сказывается сильнее при  превышении уровня исходной нагрузки 2 мг Сu и 0,8 мг Zn на г подстилки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сорбция   водорастворимых  соединений   меди    лесной   подстилкой

Соединения  тяжелых металлов  аэрозольно-техногенного   происхождения,  попадая  на поверхность  почвы  -  в  ее   органогенные  горизонты  оказываются  в  биохимически  активной  среде,   где  идут  интенсивные  процессы  разложения   и   трансформации   растительных   остатков,    синтез   специфических   гумусовых    веществ.   В  результате  взаимодействия    с   почвенными  органическими   компонентами  ионы  тяжелых   металлов    включаются  в  разнообразные    органоминеральные   соединения,    вследствие  чего  происходит    принципиальное  изменение   их    миграционной  способности.   В   мобилизации   и  переносе  химических   элементов  в  почвах   и   водах    наиболее  важную  роль   играют   водорастворимые   органические  соединения.   В   природных  системах,   где   количество   минеральных   лигандов,   способных связывать   ионы  тяжелых металлов,   близко   к   постоянной   величине,   поступающее,   разлагающееся    и    синтезирующееся   органическое   вещество    является    наиболее  активным    источником    растворимых    соединений,   формирующих  устойчивые   комплексы   с   металлами.   В   этих    условиях   возможности   влияния      неорганических   анионов     на   вывод    тяжелых    металлов   из    миграции     и    перевод   их   в   труднорастворимые   соединения   весьма   ограничены.  Это  особенно   справедливо    для   лесных    почв,    формирующихся   в   условиях    промывного   водного    режима   и    характеризующихся   высоким   содержанием    подвижных   органических   кислот,    постоянным    источником   которых   является   лесная   подстилка.   Прочность закрепления металлов,  соотношение между их  концентрацией   в почвенном    растворе   и   запасом   подвижных соединений    в составе твердых фаз,    зависят как  от  свойств самих металлов,    так    и    от    особенностей    органического    вещества.      Особенности   миграции   и аккумуляции    ртути    в    подзолистых,    торфяных   почвах   и   горных   черноземах    подтверждают  значительное   влияние   особенностей  органического      вещества      на   поведение   этого   элемента.   Сравнительная    оценка    подвижности   соединений   ртути    в   почвах   подзолистого   ряда   подтверждает,     что  несмотря    на    общую    тенденцию   обоих   элементов   к    связыванию    в    органогенных   горизонтах,   соединения    ртути     легко   десорбируются      из    почвы    слабосолевыми   растворами. Заметное   влияние    на   прочность    закрепления      металла в   твердых    фазах    оказывает    природа    органогенного   горизонта.

Таким   образом,   компоненты    органического   вещества   почв   в    разных    условиях   по   отношению   к    соединению    различных    металлов    могут   выступать   и   как    фактор  миграции,   и  как  фактор    аккумуляции.    Они   играют   важнейшую   роль    в   трансформации   соединений   тяжелых   металлов,    определяя   их   подвижность     и    миграционную   способность.   Благодаря   высокой   термодинамической    устойчивости    органо-минеральных    соединений,   образуемых    тяжелыми   металлами    с    различными   компонентами  органического   вещества   почв,    находящимися    как   в   составе     твердых    фаз   почв,    так  и   в   почвенном    растворе,    поведение   самих   металлов   в   почвах    во   многом    обусловлено   природой    и    свойствами   органических  веществ.    В   лесных   почвах,   таким   образом,    закономерности     миграции    и   аккумуляции  металлов  связаны  со   свойствами   лесных   подстилок   как   основного    источника   органических   веществ.   Взаимодействие   поступающих     соединений   металлов   с    нижележащими   почвенными   горизонтами     происходит   уже   после   трансформации   исходного   техногенного   потока    лесной   подстилкой.  Лесная   подстилка  слабо  дифференцирована  на  подгоризонты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

Заключение

 

Можно было бы отнести  уменьшение сорбционной способности Pb-форм  по сравнению   с исходными минералами   за счет гидрофобных свойств насыщающей соли.  Однако  аналогичное достаточно резкое уменьшение  сорбции паров воды отмечено Орчистоном   для К-формы  по сравнению с его  Ca-, Mg-, H-моноионными формами,   полученными насыщением  минерала   соответствующими  хлоридами,  и Куроном для глины Гебельсдорф.  Для иллита   влияние адсорбированного  катиона К+  на сорбцию   паров воды выражено меньше , поскольку минерал исходно содержит  калий в межслоевом пространстве,  но тенденция уменьшения сорбции паров воды   К-формой минерала  по сравнению с природным иллитом сохраняется.  Подобное поведение позволяет  отнести уменьшение сорбционной способности Pb-форм  по сравнению с исходными минералами  не  только за счет  гидрофобных   свойств насыщающей  соли,  но  и за  счет  адсорбированного   на    поверхности   минерала   катиона   свинца  и   образуемого  им   комплекса   с    минералом.

Согласно данным  насыщение  рассматриваемых минералов  катионом  Pb  действительно приводит   к некоторой модификации   поверхности.  Наблюдается   обволакивание частиц   минералов,  травление поверхности и образование  на частицах  микрокристаллов   размером до  1  мкм.  Процесс    в большей   стадии  проявляется   для  монтмориллонита   и     кварца,   для   каолинита  он   отмечается   лишь  как   тенденция.

Закономерность изменения   степени  влияния  a  адсорбированного  цинка  на  сорбционную   способность  минералов  в  зависимости   от  величины  их  емкости  поглощения  противоположна  изменению   a   для Pb-форм  рассмотренных минералов в зависимости от  величины  их  емкости поглощения  противоположна  изменению   a для Pb-форм  рассмотренных минералов.

Особый   интерес  представляет  взаимное  расположение  петель  гидросорбционного    гистерезиса  и  его  величина  (площадь  петли  гистерезиса)   исходных  минералов   и   их   Zn-  и Pb-форм.  Общий вид  изотерм  (адсорбция  и  десорбция)  как   исходных  воздушно-сухих  образцов,  так  и  после  высушивания   при  t=105°С  не  меняется  при  насыщении    минералов  солями  цинка  и   свинца.  Однако  площадь  петли  гистерезиса,   для  моноионных  Zn-  и   Pb-форм  каолинита и монтмориллонита    много меньше  площади петель  гистерезиса    исходных  минералов.  Причем  насыщение   глинистых минералов солью свинца    приводит   к   более   значительному   уменьшению   площади   петель   гистерезиса,   чем   насыщение   минералов   солью  цинка,    поскольку  катионы  Pb  более прочно  связаны   с   ионообменными центрами   поверхности   глинистых минералов и   менее   гидротированны    по   сравнению с катионами Zn.   Для   Zn-  и   Pb-форм   и   природного   каолинита  (минерал  с  не расширяющейся   кристаллической   решеткой   и   небольшой   емкостью   поглощения)   величины   площадей   петли  гистерезиса   почти  в  три  раза   меньше,   чем   для   Zn-  и Pb-форм  и   природного   монтмориллонита  (минерал  с  расширяющейся   кристаллической  решеткой    и   достаточно  высокой  емкостью  поглощения),   но  закономерность  их   изменения  сохраняется.   Для  кварца  наблюдается  обратная   закономерность.  Увеличение   площади  петель   гистерезиса    Zn-   и    Pb-форм    по   сравнению   с   природным    кварцем    может   свидетельствовать     о    дополнительной    сорбции   катионов    цинка    и     свинца  между    активными   центрами   и    самими   солями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

 

1. Богатырев Л.Г., Элементарные процессы в лесных подстилках // Вестн. МГУ. Сер. 17. 1989. №4,15-21c
2. Кауричев И.С., Панов Н.П., Розов Н.Н. Почвоведение. – М: Агропромиздат, 1989. -  720с.
3. Ладонин Д.В. Конкурентные взаимоотношения ионов при загрязнении почвы тяжелыми металлами // Почвоведение. 2000. №10, 1285-1293c.
4. Ладонин Д.В., Пляскина О.В. Изучение механизмов поглощения Cu(II), Zn(II) и Pb(II) дерново-подзолистой почвой // Почвоведение. 2004. №5.С.537-545
5. Лебедева Л.А., Амельянчик О.А., Лебедев С.Н. Биологические свойства почвы, загрязненной тяжелыми металлами // Тяжелые металлы и радионуклиды в агроэкосистемах. М: Изд-во МГУ, 1994, 202-210 c.
6. Каравинова Е.И., Шмидт С.Ю. Сорбция водорастворимых соединений    меди и цинка лесной подстилкой // Почвоведение. 2001. № 9, 1083-1091c.
7. Панин М.С.,  Сиромля Т.И. Адсорбция меди почвами Семипалатинского  Прииртышья // М.С. Панин, Т.И. Сиромля //  Почвоведение. 2005. № 4, 416-426 с.

     8.   Возбуцкая А.Е. Химия почв. М: Высшая школа, 1964. 400с

     9.   Водяницкий Ю.Н., Рогова О.Б., Пинский ДЛ. Применение уравнений

            Лэнгмюра и Дубинина - Радушкевича для описания поглощения меди и

            цинка    дерново-карбонатной почвой // Почвоведение. 2000.

           № 11, 1391-1398 с

10. Кабата-Пендиас  А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и

       растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.