Механизмы связи ионов металлов с почвой

Тяжелые металлы переходят в недоступное для организмов состояние за счет:

  • - образования трудно растворимых и нерастворимых соединений;
  • - сорбции минеральными коллоидами;
  • - сорбции органическими коллоидами;
  • - удаления из почвы путем выщелачивания, а также выноса с поверхностным стоком и ветром в виде паров и ныли (Титова, 2001).

Процесс осаждения-растворения труднорастворимых соединений являегся одним из основных, контролирующих концентрацию ионов большинства металлов в почвенном растворе.

Данный процесс являегся обратимым, поскольку может идти как в ту, так и в другую сторону. При этом при определенном наборе условий между составляющими это уравнение величинами устанавливаегся динамическое равновесие. Равновесие определя- егся прежде всего концентрацией металлов и анионов, присутствующих в растворе. Фактически произведение растворимости - это концентрация соединения в его насыщенном растворе. Его превышение ведет к увеличению выпадения соединения в осадок, а если оно ниже - происходит растворение осадка. Таким образом, переход металлов в осадок происходит при увеличении концентрации катиона и / или аниона, при котором произведение их активностей превышает величину произведения растворимости, которая является константой при определенных стандартных условиях. В почвенном растворе это может происходить при увеличении степени загрязнения почв определенным металлом или при увеличении концентрации анионов (что более предпочтительно). Кроме этого, переход ионов тяжелых металлов в твердую фазу и обратно зависит от целого комплекса условий, имеющихся в почвенной экосистеме: ионного состава почвенного раствора, температуры, влажности, реакции среды, биохимических процессов, протекающих в почве. Любое изменение, произошедшее в экосистеме, отразится на состоянии тяжелых металлов в системе «твердая фаза - почвенный раствор».

Процесс осаждения-растворения имеет важное значение для защиты почв от загрязнения, поскольку в почве имеется значительное количество гидроксид-, карбонат-, ортофосфат- и других ионов, которые образуют с тяжелыми металлами груднорастворимые соли.

Так, произведения растворимости соединений свинца имеют очень малые значения - 1013—1076, поэтому насыщенность раствора ионами свинца достигается при довольно низких концентрациях элемента. В основном уровень концентрации свинца в некарбонатных почвах контролируется растворимостью РЬ(ОН)2, РЬ3(Р04)2, РЬ5(Р04)з0Н. В карбонатных почвах преобладает РЬСОз. Аналогичные процессы характерны и для других малоподвижных элементов: меди, никеля, цинка.

Меньшее значение этот процесс имеег для более подвижных элементов: кадмия и в некоторой степени цинка. Наиболее устойчивым соединением кадмия в почве является Сс1СО;. В восстановительных условиях растворимость кадмия контролируется растворимостью его сульфида. В литературе отмечается, что условия, необходимые для образования нерастворимых соединений кадмия, встречаются очень редко. Образование осадка происходит при концентрации ионов кадмия в равновесном растворе выше, чем 10° моль/л (около 0,3-0,4 мг/кг почвы), однако в естественных условиях такая концентрация водорастворимой формы кадмия наблюдается не часто. При значении pH равновесного раствора менее 5 образования осадка нерастворимых солей кадмия не происходит при любой концентрации элемента. Таким образом, процесс осаждения-растворения труднорастворимых соединений не является доминирующим в контролировании концентрации кадмия в почвенном растворе.

Рассматривая процессы сорбции тяжелых металлов минеральной и органической частью почвы, выделяют катионы, сорбированные неспецифически и специфически. Термин «неснецифиче- ская адсорбция» означает, что данный процесс не зависит от индивидуальных свойств элемента, а только от его заряда. Считается, что неснецифически адсорбированные катионы связываются с поглощающим комплексом почвы под действием электростатических сил и располагаются в диффузной части двойного электрического слоя коллоидов. Возникающая связь не отличается прочностью, и с катионами ТМ за адсорбционные места конкурируют катионы Са2 ' , 1У^2 Н+ и другие.

Специфически адсорбированные катионы находятся в плотной части двойного электрического слоя. Прочность связи в данном случае обусловливается индивидуальными особенностями катионов: ионным радиусом (в том числе и гидратированных ионов), поляризуемостью, сродством к электрону, элекгроотрицательно- стью, способностью образовывать координационные связи и др. Возможность специфической адсорбции обусловливается наличием функциональных групп в почвенном поглощающем комплексе, способных образовывать координационную или ковалентную связь с катионами тяжелых металлов. Способность глинистых минералов к поглощению элементов определяется наличием гидрок- сид-ионов на сколах тетраэдрических и октаэдрических слоев алюмосиликатов. Однако большее значение для специфической адсорбции имеют органическое вещество почв, оксиды и гидроксиды железа, алюминия и марганца.

Удаление тяжелых металлов из почвы путем выщелачивания является малозначительным процессом. Как правило, металлы обладают крайне малой миграционной способностью, поэтому естественное самоочищение почв от их избыточных количеств происходит в течение сотен и даже тысяч лет. Быстрее всего этот процесс может идти в кислых, легких по гранулометрическому составу, малогумусных почвах с промывным водным режимом. Если же загрязнению подвергалась почва с тяжелым гранулометрическим составом, нейтральной реакцией среды и высоким содержанием гумуса (черноземного типа), можно считать, что в обозримом будущем общее содержание металлов в почве за счег только естественных процессов ни при каких обстоятельствах не уменьшится.

Дефляционный вынос металлов в виде пыли вряд ли можно считать процессом, 01раничивающим их доступность для организмов, поскольку пыль в конце концов вновь окажется на поверхности почвы (в лучшем случае) или станет фактором загрязнения других природных компонентов (поверхностные воды, сельскохозяйственная продукция и др.). В виде паров из почвы выносится только метилированная ртуть. Это единственный элемент, испарение которого являегся существенной статьей в общем балансе элемента и в процессе естественного самоочищения почвы. Однако при этом данный элемент становится еще более опасным для окружающей среды, загрязняя приземную атмосферу.

В последние годы все более остро встает вопрос о загрязнении почв тяжелыми металлами и другими загрязняющими веществами. Из-за потребности почв в очистке от загрязнителей проводятся интенсивные исследования в области оценки и мониторинга загрязненных почв.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >