Изучение адсорбции тяжелых металлов черноземом обыкновенным при разном соотношении твердой и жидкой фаз

чернозем тяжелосуглинистый адсорбция металл Возрастающее загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ) — наиболее актуальная экологическая проблема сохранения окружающей среды [1−2]. ТМ и, как следствие, их доступность и токсичность для живых организмов, зависят от перераспределения металлов между органо-минеральной матрицей почв и почвенным раствором и происходящими между ними процессами взаимодействия [3−6]. В случае испарения почвенной влаги и увеличения отношения почва: раствор возрастает концентрация ионов в жидкой фазе, что увеличивает адсорбцию катионов с более низким зарядом за счет электроселективности [7]. Взаимодействие катионов ТМ с адсорбционными центрами почвы в изменяющихся условиях соотношения фаз является мало изученным вопросом.

Цель работы состояла в изучении адсорбции ТМ почвами при разном соотношении твердой и жидкой фаз.

Объекты и методы. В условиях лабораторного опыта изучали адсорбцию меди, цинка и свинца черноземом обыкновенным тяжелосуглинистым при соотношении твердой и жидкой фаз 1:5 и 1:10.

Исследуемую почву пропустили через сито с диаметром ячеек 1 мм. Затем к подготовленным образцам почвы приливали растворы нитратных солей ТМ. Интервал используемых концентраций металлов составлял от 5 до 100 мМ/л. Суспензии взбалтывали в течение 1 часа, потом сутки отстаивали и после этого фильтровали. В полученных фильтратах определяли содержание ТМ методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии (ААС). Количество адсорбированных катионов исследуемых элементов определяли по разности между концентрациями их в исходном и равновесном растворах. Повторность опыта трехкратная.

Результаты и обсуждение. Адсорбция черноземом обыкновенным меди, цинка и свинца была больше при соотношении почва: раствор 1:10, чем 1:5 (рис. 1).

В случае адсорбции свинца и цинка почвой константы прочности удерживания металлов, рассчитанные по уравнению Ленгмюра, имели близкие значения как при соотношении почва: раствор 1:10, так и 1:5. Исключение составила Сu: при соотношении 1:10 константа К была выше в 1,6 раз (табл. 1) выше, чем при более узком соотношении. Значения С_макс. для всех исследуемых металлов при соотношении почва: раствор 1:10 более, чем в 2 раза превышают результаты этого показателя для соотношения 1:5.

Таблица № 1 Максимальная адсорбционная емкость (С_макс.) и константа прочности удерживания (К) меди, свинца и цинка черноземом обыкновенным при соотношении почва: раствор 1:10 и 1:5 в диапазоне концентраций металла от 5 до 100 мМ/л.

Влияние соотношения почва: раствор на протекание процессов адсорбции металлов в загрязненных почвах к настоящему времени не выявлены. Практически не влияет разбавление почвенного раствора на ионообменные процессы с участием металлов для пар ионов с одинаковой замещающей способностью и валентностью. При этом, в случае катионных пар с различной замещающей способностью и валентностью, разбавление значительно влияет на ионный обмен [8]. Это связано с концентрационно-валентностным эффектом: при увеличении объема жидкой фазы снижается концентрация легкорастворимых солей переходящих в раствор из почвы и, соответственно, увеличивается адсорбирующая способность почвы. Согласно теории Ю. А. Кокотова [7] разбавление внешнего раствора увеличивает адсорбцию ионов с большим зарядом. В результате этого увеличивается избирательность почвы к ионам ТМ в растворах с соотношением почва: раствор 1:10.

В работе Д. Л. Пинского [9] показано, что при увеличении соотношения твердая: жидкая фаза серых лесных почв от 1:1 до 1:20 увеличивается величина С_макс. почвы по отношению к Cd. Обратная закономерность выявлена Е. И. Каравановой и С. Ю. Шмидтом [10] при увеличении соотношения лесная подстилка: раствор от 1:10 до 1:30. Авторы отмечают, что уменьшение жидкой фазы почвы приводит к увеличению поглощенных меди и цинка: от 3,56 до 4,38 мг/г в случае с медью и от 1,03 до 1,19 мг/г в случае с цинком.

Следовательно, при более широком соотношении почва: раствор способность к адсорбции (С_макс. и К) меди, цинка и свинца почвой возрастает.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ), проект № 16−14−10 217.

• 1. Мазанко М. С., Денисова Т. В., Колесников С. И., Вернигорова Н. А., Чернокалова Е. В., Никитенко К. А., Бубнова А. А. Устойчивость чернозема обыкновенного к сочетанному загрязнению свинцом и электромагнитным полем // Инженерный Вестник Дона. 2013. № 3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1793
• 2. Водяницкий Ю. Н. Изучение тяжелых металлов в почвах. М.: Почвенный институт им. В. В. Докучаева РАСХН, 2005. 110 с.
• 3. Минкина Т. М., Бауэр Т. В., Манджиева С. С., Назаренко О. Г., Сушкова С. Н., Чаплыгин В. А. Закономерности процесса трансформации цинка в черноземе обыкновенном в присутствии различных анионов // Инженерный Вестник Дона. 2013. № 3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1793
• 4. Минкина Т. М., Мотузова Г. В., Назаренко О. Г., Крыщенко В. С., Манджиева С. С. Трансформация соединений тяжелых металлов в почвах степной зоны // Почвоведение. 2008б. № 7. С. 810−818.
• 5. Фатеев А. И., Самохвалова В. Л. Формы соединений тяжелых металлов почвенной системы как критерии ее экологического состояния // Всерос. конф. «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям». М., 2002. С. 29.
• 6. Околелова А. А., Минкина Т. М., Мерзлякова А. С., Кожевникова В. П. Достоверность оценки загрязнения почв тяжелыми металлами // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ). Краснодар: КубГАУ. 2014. № 101(07). URL: ej.kubagro.ru/2014/07/pdf/27.pdf
• 7. Кокотов Ю. А. Иониты и ионный обмен. Л.: Химия, 1980. 152 с.
• 8. Minkina T.M., Pinsky D.L., Mandzhieva S.S., Bauer T.V., Sushkova S.N., Kushnareva A.V. Effect of an attendant anion on the вalance of сations in the soil-solution system with an ordinary chernozem as an example // Eurasian Soil Science. 2014. Vol. 47 № 8. pp. 772−780.
• 9. Pinski D.L. Effect of solid to liquid phase ratio on the adsorption of cadmium by grey forest soil // Proceedings of 6-th Int. Сonf. of ICOBTE-2001 «Biogeochemistry of Trace Elements». July 29 — August 2. Guelf, Ontario, Canada: 2011. P. 46.
• 10. Караванова Е. И., Шмидт С. Ю. Сорбция водорастворимых соединений меди и цинка лесной подстилкой // Почвоведение. 2001. № 9. С. 1083−1091.