Поведінка радіонуклідів у грунтах (стр. 1 )

ПОВЕДІНКА РАДІОНУКЛІДІВ У ГРУНТАХ

Радіоактивні речовини, що потрапляють в атмосферу внаслідок техногенної діяльності людини, поступово концентруються у грунті. На швидкість цього процесу впливають:

- початкова висота підйому радіоактивних речовин;

- форми їх надходження у довкілля;

- погодні умови періоду надходження;

- рельєф місцевості;

- рослинний покрив.

Завдяки багатоярусній будові лісових екосистем процес переміщення радіонуклідів на поверхню грунту трохи повільніший, ніж на відкритих площах.

Після аварії на Чорнобильській АЕС близько 90 % радіонуклідів, що були затримані верхнім, деревним ярусом рослинності, вже через рік опинилися на грунті. Таким чином, ґрунтовий покрив став своєрідним депо радіонуклідів і першою ланкою у ланцюгах міграції довго живучих радіоактивних елементів за трофічними шляхами до людини.

Як потужний природний сорбент, ґрунтовий покрив отримує багато хімічних речовин штучного походження, в тому числі й радіоактивних.

При цьому значна частина радіонуклідів міцно зв'язується з органічного частиною грунту або поглинається глинистими мінералами. Це перешкоджає надходженню радіоактивних елементів у грунтові води, лісові рослини, гриби. Але кореневі системи лісових рослин (навіть сисні корені деревних порід) та міцелій грибів зосереджені у верхній, найбільш забрудненій радіонуклідами частині грунту. Природно, що при цьому ймовірність надходження радіоактивних елементів у ці живі організми досить висока.

На подальшу поведінку радіонуклідів у грунті, на швидкість перебігу тих чи інших процесів впливас досить значна кількість факторів:

- гранулометричний та мінеральний склад грунту;

- агрохімічні характеристики грунту (кислотність, вміст органічних
речовин, склад обмінних катіонів);

- фізичні та фізико-хімічиі властивості грунтів;

- склад рослинного покриву у лісових насадженнях (особливо ярусу
деревних порід).

кліматичні умови взагалі, погодні умови конкретного року.

Встановлено, що з підвищенням температури грунту значно посилюється надходження радіоактивних елементів у рослини, що пояснюється інтенсифікацією як біологічної активності рослин, так і активності ґрунтових процесів.

. Основні закономірності поглинання радіонуклідів у грунті

Розчини, що рухаються у грунті, торкаються його частинок. Внаслідок цього частина молекул й іонів затримується або обмінюється. Саме властивість твердої фази грунту поглинати з ґрунтового розчину та обмінюватися з ним різним речовинами називається поглинаючою здатністю грунту.

Розрізняють п’ять видів поглинаючої здатності; механічну, фізичну, хімічну, фізико-хІімічну та біологічну. Радіонукліди, як і всі інші хімічні елементи, вкладаються у цю класичну схему, розроблену й обгрунтовану .

Механічна поглинаюча здатність - це здатність грунту затримувати у своїх порах частинки ґрунтових суспензій. Чим менші розміри ґрунтових пор, тим більше частинок затримується. Прикладом даного поглинання може бути поведінка частинок радіоактивного пилу, що осів на ґрунтовий покрив після аварії на ЧАЕС. Великі частинки затримувалися у верхній частині грунту до того часу, поки не почали подрібнюватися, вилуговуватися і включатися в геохімічні процеси. Менші частинки осідали не в ближній зоні, а на певній відстані від джерела аварії. Вони швидше включалися у грунтові процеси і менше відчували механічну поглинаючу здатність грунту.

Фізична поглинаюча здатність - це здатність колоїдних частинок поглинати із ґрунтових розчинів молекули речовині. Кожна частинка оточена молекулярним шаром води, що утримується дуже великими силами, зумовлюючи підвищене натягування водяної плівки. Якщо молекули розчинених у грунтовій воді речовин притягуються до частинок сильніше, ніж молекули води, у поверхневому шарі зростає концентрація речовини. Це й буде позитивне фізичне поглинання.

Хімічна поглинаюча здатність грунту - це здатність грунту затримувати катіони та аніони, що входять до складу важкорозчинних або нерозчинних сполук.

Фізико-хімічна (обмінна) поглинаюча здатність - це здатність колоїдних частинок утримувати або обмінювати іони з ґрунтовим розчином. Цей вид поглинаючої здатності відіграє значну роль у міграції радіонуклідів трофічними шляхами. Як відомо, колоїдна фракція грунту складається з мінеральної (головним чином, глинисті мінерали) та органічної частини. Оскільки грунтові колоїди частіше мають від'ємний заряд, вони енергійно поглинають катіони Fe+3, Al +3, H+, Mg+2, K+, Na+. Найшвидше поглинаються останні катіони з цього переліку, оскільки залізо та алюміній частіше створюють складні комплекси, що не розчиняються у воді. Чим більша кількість колоїдних частинок, тим більша ймовірність поглинання катіонів радіонуклідів. Найбільшу поглинаючу здатність мають органічні речовини грунту: гумус - до 180, гумінові кислоти-до 286 мг.-екв. на 100г грунту. Різні грунти мають також різну місткість поглинання: піщані - до 1-5, супіщані - 7-8, суглинисті -7-18, глинисті - 15-30 мг-екв на 100 г грунту [41.

Біологічна поглинаюча здатність - це здатність кореневих систем рослин, мікроорганізмів та міцелію грибів засвоювати ті чи інші елементи живлення з грунту. Деякі види живих організмів досить інтенсивно поглинають радіонукліди з грунту або "перехоплюють" їх, коли ті переміщуються з більш високих ярусів рослинності. Завдяки цьому вони здатні досить відчутно втручатися у перерозподіл радіоактивних елементів у грунті.

Незважаючи на високу активність, кількість речовини радіонуклідів у грунтах дуже незначна. Наприклад, забруднення території стронцієм-90 рівня 1000 Кі/кмг відповідає концентрації його у грунті (в шарі 0-10 см) 6,8 10-11 %. Тому радіоактивні елементи не є конкурентами за місце на поверхні природних сорбентів і їх поведінка у грунті досить своєрідна.

Так, у модельних дослідах було показано, що сорбований цезій - 137 інтенсивніше десорбується з грунту іонами стабільного ізотопу Сз+, NH4+, К+, ніж Са+2, Мg+2, Ва+2, Н+ та водою [І]. В реальних умовах на процес десорбції впливають розміри порожнин в глинистих мінералах, тому 137Сз ефективно заміщується лише К+, NH+4, Сs+.

Радіонукліди, поглинуті грунтом, пребувають у ньому в різних формах, що різняться своєю рухливістю і внаслідок цього - поведінкою у грунті та доступністю для біоти.

Водорозчинна форма - це та частина радіонуклідів, що досить вільно переходить з грунту у воду і доступна для рослин, грибів і мікроорганізмів.

Обмінна форма - це частина радіонуклідів, що може бути вилучена з грунту 1Н розчином ацетату амонію (СН3СООNН4). Певна частина радіонуклідів цієї форми також може бути доступною для живих організмів.

Необмінна форма - це кількість радіонуклідів, яку можна вилучити з грунту 6Н соляною кислотою (НС1) після вимивання обмінної форми (попередня обробка грунту ацетатом амонію).

Міцно фіксована форма -це радіонукліди, що зостаються у грунті й після його обробки соляною кислотою.

Різні типи грунту з неоднаковою інтенсивністю поглинають радіоактивні елементи (табл. 5.1). З таблиці видно, що у чорноземах сорбується більше радіонуклідів, ніж у суглинистих і супіщаних грунтах. Це пояснюється різними факторами, але головним чином - присутністю у чорноземах значної кількості високодисперсних частинок.

Таблиця 1. Сорбція радіонуклідів у грунтах, %

Радіонуклід	Дерново~підзолистий грунт	Чорнозем
супіщаний	суглинистий
90Sг 137Сs І06Ru І44Се І47Рm 60Со	66 98 49 98 96 94	92 99 65 99 98 97	96 99 61 100 99 98

Для кількістної оцінки процесів сорбції радіонуклідів у грунті досить часто застосовують коефіцієнт розподілу (Кd), що описує поведінку мікрокількості радіонуклідів у системі "грунт - ґрунтовий розчин":

( A0 – A1 ) V

Кd = -------------- ,

A1d

де Aо і A1, - концентрація (активність) розчину до і після сорбції; V -об'єм розчину, мл; d - маса відібраного грунту (сорбенту), г.

Величина коефіцієнта розподілу варіює у досить значних межах залежно від типу грунтів і виду радіонуклідів (табл. 5.2.). Чим вона більша, тим інтенсивніше сорбується радіонуклід у грунті.

Встановлено, що на процес закріплення радіоактивних елементів у грунті значною мірою впливають: кислотність ґрунтового розчину, вміст гумусу, мінералогічний та гранулометричний склад, кількість обмінних катіонів і т. д. Отже, загалом можна сказати: чим вища трофність грунтів, тим міцніше закріплюються радіонукліди у них, тим нижча їх міграційна здатність трофічними шляхами. Наприклад, властивості грунту, що впливають на зниження коефіцієнту розподілу 90Sr, мають такий вигляд: вологість>вміст обмінних Са і Мg>ємкість обміну>вміст органічних речовин >кислотні сть [10].

Поведінка конкретних радіоактивних елементів у грунті значною мірою залежить від присутності у макрокількості їх хімічних аналогів: елементів, схожих з радіонуклідами у хімічному відношенні. Для стронцію - це кальцій, а для цезію - калій. Стронцій і кальцій сорбуються грунтом з розчину з майже однаковою інтенсивністю, тому їх співвідношення у розчині і грунті досить близькі. Для пари цезій-калій ці співвідношення різняться, оскільки цезій сорбується з розчину твердою фазою грунту значно швидше, ніж його аналог - калій.

Внесення хімічних аналогів радіонуклідів у грунт (для зниження інтенсивності їх міграції у культурні рослини) досить часто практикується в сільськогосподарському виробництві. Таке збільшення кальцію у грунті призводить до зменшення сорбції стронцію з розчину. Збільшення останнього у ґрунтовому розчині підвищує ймовірність надходження цього радіонукліда в рослини. Але після внесення значних доз кальцію співвідношення між 90Sг і Са у ґрунтовому розчині змінюється таким чином, що надходження радіонукліда у рослини значно зменшується.