Природа та види поглинальної здатності грунтів

На початку XIX ст. італійці Ламбрушіні й Герцері провели дослідження з поглинання грунтом поживних елементів із розчину, а також забарвлених і пахучих речовин. Пізніше Гекстебль і Томсон виявили поглинання грунтом аміачних та інших солей, яке супроводжувалося переходом у розчин кальцію. Це були передумови для грунтовних досліджень англійця Уея. Він довів, що при пропусканні через грунт солей калію й амонію ці основи поглинаються, а кислотні залишки залишаються в розчині, з'єднуючись з еквівалентною кількістю кальцію. Поглинальною здатністю володіє перегній і особливі мінеральні сполуки цеоліти – розчинені в соляній кислоті силікати.

Пізніше К.К. Гедройц провів свої фундаментальні дослідження, на основі яких опублікував "Вчення про поглинальну здатність грунтів" (1922) і "Грунтовий поглинальний комплекс і грунтові ввібрані катіони, як основа генетичної класифікації грунтів" (1925). Крім того, вчення про поглинальну здатність грунтів додатково розроблено у наукових працях Г.Вігнера, С.Маттсона, М.І.Горбунова, О.Н.Соколовського.

Поглинальною здатністю грунту називається його властивість обмінно чи необмінно поглинати різні тверді, рідкі й газоподібні речовини або збільшувати їх концентрацію на поверхні грунтових колоїдних частинок.

 

К.К.Гедройц виділив п'ять її видів:

1. Механічна поглинальна здатність – це властивість грунтів поглинати тверді частинки, що надходять із водним або повітряним потоком, розміри яких перевищують розміри грунтових пор. Вода при цьому очищається від завису, що дозволяє використати грунт для очищення питних і стічних вод. При будівництві зрошувальних систем властивість грунтів поглинати тверді частинки використовується для замулювання дна і стінок каналів із метою зменшення фільтрації (кольматаж каналів, водосховищ).

2. Хімічна поглинальна здатність – зумовлена утворенням внаслідок проходження хімічних реакцій у грунті важкорозчинних сполук, які випадають із розчину в осад. Катіони і аніони, які надійшли до грунту з атмосферними, поливними і грунтовими водами, утворюють із солями грунтового розчину нерозчинні або важкорозчинні сполуки:

 

 

3. Біологічне поглинання спричиняється здатністю живих організмів (корені рослин, мікроорганізми), які живуть у грунті, поглинати різні елементи. Живі організми володіють вибірковою здатністю до елементів живлення.

4. Фізична поглинальна здатність – здатність грунту збільшувати концентрацію молекул різних речовин на поверхні тонкодисперсних частинок. Поверхнева енергія таких частинок виникає на границі дотику дисперсної фази з дисперсним середовищем і прагне до скорочення. Це реалізується шляхом: а) скорочення поверхні збільшених частинок або б) зменшення поверхневого натягу внаслідок адсорбції на поверхні частинок деяких речовин. Речовини, які знижують поверхневий натяг, називаються поверхнево-активними (органічні кислоти, алкалоїди, велика кількість високомолекулярних сполук). Вони притягуються до поверхні тонкодисперсних частинок, тобто виявляють позитивну адсорбцію. Багато мінеральних солей, кислот, лугів підвищують поверхневий натяг води, викликаючи явище від'ємної адсорбції, при якій концентрація цих речовин зменшується з наближенням до поверхні частинки.

5. Фізико-хімічна, або обмінна поглинальна здатність – здатність грунту поглинати і обмінювати іони, що знаходяться на поверхні колоїдних частинок, на еквівалентну кількість іонів розчину, що взаємодіє з твердою фазою грунту. Ця властивість грунту зумовлена наявністю у його складі так званого грунтового поглинального комплексу (ГПК), зв'язаного з грунтовими колоїдами.

 

Головним механізмом фізико-хімічної, або обмінної поглиналь-ної здатності грунтів є процеси сорбції. Обмінна сорбція катіонів – це здатність катіонів дифузного шару грунтових колоїдів обмінюватися на еквівалентну кількість катіонів навколишнього розчину. Обмінними катіонами у грунті звичайно є: Са²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, Аl³⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, H⁺. Головні закономірності сорбції катіонів:

1) еквівалентність обміну між поглинутими катіонами та катіонами взаємодіючого розчину.

2) енергія поглинання катіонів у ряді різновалентних іонів збільшується з підвищенням валентності іона:

 

 

Під енергією поглинання розуміють відносну кількість поглинання катіонів грунтами при одній і тій самій концентрації в розчині.

3) енергія поглинання визначається радіусом не гідратованого іона: чим менший радіус, тим слабше зв'язується іон. Це пояснюється більшою щільністю заряду, а значить, і більшою гідратованістю іона. Гідратні оболонки зменшують їх чутливість до електростатичного тяжіння.

 

Усередині рядів іонів однієї валентності енергія поглинання збільшується з підвищенням атомної маси та атомного номера.

Грунти здатні сорбувати також і аніони. Сорбція аніонів залежить від заряду, будови і хімічних властивостей грунтового поглинального комплексу. Сорбція аніонів викликається позитивним зарядом колоїдних часток гідроксидів заліза, алюмінію. За здатністю сорбуватись на грунтових частинках аніони розміщуються так:

 

 

При збільшенні в грунтовому поглинальному комплексі алюмінію, заліза і в присутності відколів грунтових мінералів, при зниженні рН середовища сорбція аніонів збільшується.

Аніони СГ і N0₃ практично не поглинаються грунтом. У поглинанні аніонів велику роль відіграють процеси солеутворення. При взаємодії розчинних солей утворюються нові нерозчинні у воді солі (сульфати, карбонати, фосфати), які переходять у тверду фазу. Так поглинаються грунтом іони Н₂Р0₄, НР0₄²~, Р0₄³". Та механізм поглинання грунтом фосфат-іонів складний і різноманітний.