книги из ГПНТБ / Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие

P-излучение, для определения емкости поглощения почв можно использовать метод выходных кривых распределения, который заключается в следующем.

Через колонку почвы пропускают раствор меченого вещест­ ва и одновременно собирают последовательно вытекающие пор-

Рис. 7.6. Методика определения емкости поглощения почвы по выходным кривым:

дни фильтрата (или ставят на выходе колонки счетчик с само­ пишущим регистрирующим устройством — радиохроматограф).

По результатам измерения активности фильтратов строят выходную кривую, т. е. кривую распределения меченого веще­ ства в вытекающем фильтрате (рис. 7.6). Раствор меченого ве­ щества пропускают до тех пор, пока из колонки не начнет вы­ текать раствор исходной концентрации. Это — признак сорбци­ онного насыщения почвы в колонке меченым веществом. Таким образом, получив выходную кривую определяют, какой объем раствора меченого вещества необходимо пропустить через ко­ лонку почвы, чтобы наступило сорбционное насыщение почвы. Далее колонку промывают водой и также получают выходную кривую промывания. Промывают колонку до тех пор, пока из колонки не будет удалена растворенная и молекулярно (не­

190

прочно) связанная часть меченого вещества. На рис. 7.6 пока­ заны также первичная выходная кривая и выходная кривая промывания. Получение выходной кривой промывания дает возможность установить объем воды, который необходим для вымывания из колонки почвы непрочно удерживаемого и раст­ воренного меченого вещества. После промывания в колонке почвы содержится только прочно сорбированное меченое веще­ ство. Количество этого вещества определяют следующим обра­ зом. Пусть через колонку пропущен раствор меченого вещества с общим содержанием меченого вещества М0. Доля прочно сорбированного вещества

где Л0 — общая активность профильтрованного раствора; А \— общая активность фильтрата вымывания; А г— общая актив­ ность прочно сорбированного меченого вещества; Аз — общая активность первичного фильтрата.

Тогда емкость поглощения

Если предварительно определить объемы раствора и воды, необходимые для насыщения и промывания почвы соответствен­ но, то в последующих опытах можно уже не получать выходных кривых распределения, а собирать первичный фильтрат и филь­ трат промывания в один приемник и далее определять общую активность A ] + A s собранного суммарного фильтрата.

Зона насыщения меченого вещества в колонке почвы — зона, в которой устанавливается равновесное распределение меченого вещества между раствором и почвой. При этом концентрация меченого вещества в растворе равна его исходной концентра­ ции. Кроме того, в зоне насыщения полностью отсутствует изо­ топнообменная часть немеченого элемента. Она вытеснена в нижележащие слои колонки. Таким образом, в зоне насыщения имеются только меченый элемент в составе раствора и сорбен­ та, а также неизотопнообменная часть немеченого элемента.

Определив емкость поглощения почвы по отношению к дан­ ному меченому веществу при разных входных концентрациях меченого вещества, можно построить изотерму сорбции мечено­ го вещества S* = f(c*). Особенностью этой изотермы сорбции является то, что она получена в условиях отсутствия в растворе немеченного элемента.

Методом динамической сорбции меченого вещества можно также определить изотопнообменную фракцию немеченого эле­ мента в почве. Для этого через колонку пропускают раствор меченого вещества и одновременно собирают последовательно вытекающие из колонки порции фильтрата. В последних опре-

191

деляют общее содержание данного элемента химическим мето­ дом и содержание меченого элемента — радиометрическим. По разности рассчитывают содержание немеченого элемента. Таким образом, по результатам измерений строят выходные кривые для меченого и немеченого элементов. Пропускание ра­ створа меченого вещества производят до тех пор, пока не про­ изойдет полного насыщения колонки почвы меченым веществом. При этом из колонки будет полностью вытеснена изотопнооб­ менная фракция немеченого элемента. Выходная кривая для немеченого элемента позволяет определить содержание изотоп­ нообменной фракции немеченого элемента в данной навеске почвы. Фактически эта изотопнообменная фракция немеченого элемента с почвенно-агрохимической точки зрения есть подвиж­ ная фракция немеченого элемента.

Здесь приведена только незначительная часть различных методик применения изотопных индикаторов для изучения со­ стояния и поведения веществ в почвах. Но уже эти примеры показывают, какие новые экспериментальные возможности от­ крывает изотопная техника в почвенно-агрохимических иссле­ дованиях.

§ 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ИЗОТОПНЫХ ИНДИКАТОРОВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ДИНАМИКИ ПЕРЕНОСА ВОДЫ И СОЛЕИ

ВПОЧВОГРУНТАХ

Лабораторны е методы изучения переноса меченой воды. Для исследования движения воды в почвогрунтах необходимо ис­ пользовать так называемую меченую воду. Идеальным спосо­ бом получения меченой воды был бы способ введения радиоак­ тивного индикатора непосредственно в молекулу воды. При этом изотопная метка должна быть жестко связана в молекуле воды и воспроизводить только макроскопическое механическое движение воды. Однако этот путь не может быть осуществлен.

Единственный радиоактивный изотоп водорода — тритий — испускает мягкое (3-излучение, и регистрация его сопряжена с некоторыми трудностями. Кислород имеет очень короткоживущие радиоактивные изотопы, не пригодные для практического использования их в качестве индикаторов. Кроме того, атомы водорода и кислорода в молекуле воды сравнительно легко вступают в реакции изотопного обмена со связанной водой, неорганическими и органическими соединениями, что ослож­ няет изучение процессов физического переноса воды в почво­ грунтах, так как на них накладываются химические процессы изотопного обмена. В последнее время показано, что тритий, хотя и с некоторыми техническими сложностями, все же можно использовать в качестве метки воды. При определенных усло­

192

виях процессами изотопного обмена в динамике переноса воды можно пренебречь.

Другой путь получения меченой воды заключается в раство­ рении в воде какого-либо вещества, меченного радиоактивным изотопом. Лучше всего, чтобы меченое вещество обладало ря­ дом необходимых свойств: не сорбировалось и не вступало в какие-либо химические взаимодействия с почвогрунтом, по своим молекулярно-кинетическим свойствам (коэффициенту диффузии) оно не должно сильно отличаться от молекулярно­ кинетических свойств воды. Короче говоря, меченое вещество должно с достаточной точностью воспроизводить картину дина­ мики переноса жидкой воды в почвогрунте. Выбор радиоактив­ ных изотопов и меченых химических соединений необходимо производить с учетом химического состава и физико-химических свойств почвогрунтов. Важное значение имеет также подбор такого изотопа, излучение которого можно было бы легко ре­ гистрировать простейшей радиометрической аппаратурой и лучше всего непосредственно в полевых условиях.

Опыт применения радиоактивных индикаторов в почвоведе­ нии и мелиорации показал, что в качестве меченой воды тогда можно использовать растворы солей, содержащих десорбирую­ щиеся меченые неорганические катионы или анионы. В некото­ рых случаях используют растворы меченых органических соеди­ нений, например, металлов с органическими комплексообразователями.

Изучение динамики переноса меченой воды в почвогрунтах можно осуществлять на моделях почвогрунтов. Такими моде­ лями обычно служат колонки почв — стеклянные трубки или плексигласовые коробы, загруженные исследуемым почвогрун­ том. В плексигласовые коробы помещают блоки почвогрунта естественного сложения. Для работы в качестве радиоактивных индикаторов целесообразнее использовать изотопы, испускаю­ щие жесткое p-излучение. Тогда счетчики можно устанавливать

кислой соли натрия или калия, меченной изотопом 32Р. В такой модели можно имитировать передвижение меченой воды в пес­ чаном грунте (рис. 7.7). С помощью счетчика получают коло­ ночные кривые распределения меченой воды вдоль колонки грунта. На рис. 7.8 показана другая модель почвогрунта, поме­ щенного в плексигласовый короб. Счетчики устанавливают в определенном порядке в разных местах, чтобы регистрировать активность меченой воды в рдзных точках. В этом случае по­ лучают выходные кривые распределения — активность в задан­ ной точке почвогрунта.

Для изучения динамики переноса меченой воды используют простейшую теорию динамики переноса веществ в пористых

средах, которая является частным случаем теории динамики сорбции.

На основе этой теории разработаны два метода изучения переноса меченой воды в почвогрунтах — метод фронтального переноса меченой воды и метод динамики переноса «волны» ме­ ченой воды.

Под динамикой фронтального переноса меченой воды пони­ мается динамическое распределение меченой воды вдоль колон­ ки поч'вогрунта при подаче меченой воды в колонку.

Пусть имеется колонка однородного по свойствам почвогрунта с полным влагонасыщением и в такую колонку вводится меченая вода (например, раствор меченой соли). Основные физические явления, определяющие характер динамического распределения меченой воды в процессе ее движения через ко­ лонку дисперсной среды, следующие: 1) внешняя молекулярная диффузия меченой воды к поверхности зерен дисперсной сре­ ды; 2) внутренняя молекулярная диффузия меченой воды внутрь

194

зерен дисперсной среды, если зерна имеют внутреннюю пори­ стость; 3) продольная молекулярная диффузия меченой воды в среде немеченой воды, приводящая к дополнительному (кро­ ме потока) продольному переносу меченой воды; 4) «грануля­ ционный эффект», обусловленный дисперсностью среды и неод­ нородностью поровых каналов в ней и приводящий к беспоря­ дочному искривлению фронта меченой воды; 5) «грунтовой эффект», обусловленный неоднородностью поля скоростей по-

Рис. 7.9. Кривая распределения меченой воды в колонке

дачи давления в дисперсной среде; 6) «стеночный эффект», имеющий значение в опытах с колонками дисперсных материа­ лов (почвогрунтов), заключенных в какие-либо сосуды.

Несмотря на различие всех перечисленных явлений, все они имеют статистический характер и действуют в одном направ­ лении— приводят к тому, что распределение меченой воды вдоль колонки дисперсной среды никогда не будет иметь рез­ кой границы, резкого фронта. Фронт меченой воды всегда бу­ дет в той или иной степени размытым.

Если в колонку дисперсной среды непрерывно вводить ме­ ченую воду, то вдоль колонки будет распространяться фронт меченой воды (рис. 7.9).

Распределение меченой воды вдоль колонки можно прибли­ женно описать асимптотическим уравнением диффузионного типа

7* 195

скорость потока меченой воды внутри колонки; D* — квазидиффузионный коэффициент размытия фронта, учитывающий по со­

уравнение движения концентрационных точек фронта меченой воды:

что среди концентрационных точек фронта имеется только однаединственная (точка половинной концентрации ф = 0,5), которая перемещается со средней скоростью потока меченой воды и. Это важный для практики вывод. Он показывает, что среднюю скорость потока меченой воды внутри слоя дисперсной среды

СЛОЯ И U = U o , 5 = X 0:5/t,

*0.5 = у !(л-

Следовательно, экспериментальное определение координаты точки ф = 0,5, т. е. величины х0$, позволяет рассчитать площадь сечения переноса меченой воды:

3. Все другие точки фронта перемещаются с переменной ско­ ростью

at

Как это вытекает из уравнения (7.33), аргумент принимает по­ ложительные значения при ф<0,5 и отрицательные — при Ф‘>0,5. Следовательно, фронт меченой воды с течением времени

196

должен расширяться. Рассмотрим количественную оценку рас­ ширения фронта. Прежде всего следует уточнить понятие ши­ рины фронта. Под шириной фронта будем условно понимать разность координат точек фронта с концентрациями фг и. 1—фг\

тельно важна. Она позволяет определить один из основных ди­

откуда можно получить формулу для расчета глубины проник­ новения меченой воды с заданной концентрацией фг, когда в колонку дисперсной среды введена меченая вода объемом V:

чета расхода меченой воды, необходимой для проникновения меченой воды на заданную глубину Д :

имеет наибольшую точность в области относительных концент­ раций ф= 0,1— 0,9. За пределами этого интервала и формула обладает меньшей точностью, и экспериментальные погрешно­ сти будут наибольшими.

Динамика переноса волны меченой воды — процесс дина­ мического распределения порции меченой воды, предваритель­ но введенной в колонку дисперсной среды, при промывании ее обычной, немеченой водой.

Пусть в колонку почвогрунта вводится небольшая порция меченой воды так, чтобы она заняла в верхней части колонки узкую зону (ширина зоны х0 должна быть значительно меньше

197

длины колонки). Затем в колонку вводят обычную, немеченую воду. Тогда вдоль колонки постепенно распространится размы­ вающаяся волна меченой воды, подобно тому, как показано на рис. 3.6 и 7.10.

Распределение меченой воды в такой волне можно прибли­ женно описать следующим асимптотическим уравнением диф­ фузионного типа:

нию вероятностей. Причины размытия волны меченой воды те же, о которых говорилось выше. Коэффициент D* имеет тот же физический смысл квазидиффузионного коэффициента раз­ мытия.

ни обращается в нуль, а экспоненциальный множитель — в еди­ ницу). Следовательно, среди концентрационных точек волны есть одна-единственная точка'— точка максимума хмакс, которая

Таким образом, по скорости движения максимума распре­ деления экспериментально определяем среднюю скорость пото­ ка воды в дисперсной среде и. Так как u=V/(at, по движению максимума рассчитываем среднюю площадь переноса воды:

2. Из того же условия максимума х—ut = 0, согласно (7.43), определяем ход изменения максимума концентрации:

Последняя формула избавляет нас от необходимости знать на­ чальную концентрацию меченой воды пй в первичной зоне.

3. Определим условно ширину зоны меченой воды на уров не (рис. 7.10)

198

Это условие соответствует

Таким образом, и в случае переноса волны меченой воды ши­

рина волны увеличивается пропорционально]/ 1 или]/УГ Зная ширину волны 8Х, из (7.52) определяем квазидиффузионный коэффициент размытия

С точки зрения радиационной безопасности, как в лабора­ торных, так и в полевых условиях изучение динамики переноса воды методом волны меченой воды имеет определенное преи-

Р и с . 7.10. Э л ю ти в н а я в о л н а м еч ен ой в о д ы в к ол он к е п о р и с т о й ср ед ы .

мущество по сравнению с фронтальным методом. При исполь­ зовании этого метода в дисперсную среду вводят небольшую порцию радиоактивного раствора, а затем фильтруют обычную воду. При фронтальном методе в дисперсную среду, например, в почвогрунт, в полевых условиях приходится вводить большие

199