Материал: Курс лекций техноген рад-дов в почве

Таблица 1. Сорбция и десорбция цезия-137 минералами почвы

Коэффициент распределения определяется по формуле:

,

где а_о и а₁ – активность раствора до и после сорбции;

V – объем раствора;

d – навеска почвы.

Чем выше значение коэффициента распределения, тем прочнее сорбция. В зависимости от свойств почвы и радионуклидов прочность их связи с ППК неодинакова. Например, Кр стронция-90 на дерново-подзолистой почве составляет 40, а на черноземе – 430, для цезия-137, он значительно выше и составляет 200 на дерново-подзолистой почве и 10000 на черноземе, т.е. цезий-137 прочнее поглощается ППК на этих почвах, чем стронция-90.

2.2. Влияние свойств почвы на поведение радионуклидов

Радионуклиды в почве находятся в малых концентрациях и в различных формах. Например, при плотности загрязнения почвы 1 Ки/км² (37кБк/м²) массовая концентрация цезия-137 составляет 3,9·10^-12 %, а стронция-90 – 2,4 · 10^-12 %, поэтому они, попадая в почву, не изменяют ее основные агрохимические свойства. Установлено, что при поступлении в растения имеет значение не общее содержание радионуклидов в почве, а формы их нахождения в почве, от которых зависит их подвижность и доступность для корневой системы. По подвижности в почвах радионуклиды разделяются на 4 группы:

1) сильноподвижные (йод, сера и др.);

2) подвижные (натрий, рубидий, стронций, рутений и др.);

3) малоподвижные (церий, железо, цирконий, цезий и др.);

4) практически неподвижные (цинк, кобальт и др.).

Для оценки прочности связи радионуклида с почвой определяют содержание различных форм цезия-137 и стронция-90 в почве методом последовательного экстрагирования различными растворителями (табл. 2). Легкодоступные для растений формы радионуклидов извлекаются из почвы водой (водорастворимая) и 1М раствором уксуснокислого аммония (обменная). Подвижные формы радионуклидов, извлекаемые 1М раствором соляной кислоты, только частично могут поглощаться растениями и являются для них потенциально доступным резервом. Неподвижные (фиксированные) формы радионуклидов недоступны растениям и освобождаются лишь при обработке почвы 6М раствором соляной кислоты (прочнофиксированные формы).

Таблица 2. Формы нахождения радионуклидов в различных почвах, % (1995г)

Формы нахождения радионуклидов в почве непостоянны, т.е. они изменяются с течением времени. При длительном пребывании радионуклидов в почве на перераспределение их форм оказывают влияние сорбционные процессы радионуклидов в почве.

В первые годы после аварии радионуклиды Сs-137 и Sr-90 находились преимущественно в водорастворимой и обменной формах, т.е. в доступном для поглощения корнями растений состоянии. Степень окисления цезия равна 1+, в почвенном растворе он присутствует в виде катиона. Цезий-137 имеет наибольший радиус среди других одновалентных катионов, поэтому он адсорбируется глинистыми минералами прочнее, чем его химический аналог калий. Исследования показали, что доступность радиоцезия существенно уменьшилась к настоящему времени вследствие процессов необменной фиксации его почвой. За период 1987 по 1994 год доля фиксированной формы Cs-137 увеличилась более чем в 2 раза и составляла 70-84% общего содержания. Для Sr-90, наоборот, характерно преобладание легкодоступных для растений форм, которые составляли 53-87% от общего содержания и имеют тенденцию к повышению во времени. Стронций-90 имеет степень окисления 2+, в почвенном растворе он находится в виде катионов. Растворимость бикарбоната стронция выше, чем бикарбоната кальция, поэтому в почве стронций более подвижен, чем кальций.

Характер изменения доступных форм Cs-137 и Sr-90 за десяти летний период приведен в таблице 3. Доступные формы представлены суммой водорастворимой обменной и подвижной форм.

Таблица 3. Диагностика доступных форм Cs-137 и Sr-90

В процентах от общего содержания в почве

В последние годы не наблюдалось значительных изменений в перераспределении форм нахождения радионуклидов в почве, т.е. установилось динамическое равновесие форм. Таким образом, более 90% Сs-137 в настоящее время находится в фиксированной форме. В то же время более 80% Sr-90 находится в обменной и водорастворимой формах. Следует отметить, что со временем происходит разрушение, или деструкция, "горячих" частиц, содержащих цезий, стронций и плутоний. После выхода из частиц цезий-137 быстро связывается глинистыми минералами верхних слоев почвы и переходит в фиксированную форму. Стронций-90 не фиксируется глинистыми минералами и входит в состав почвенного раствора в подвижном состоянии, увеличивая процентное содержание водорастворимой и обменной форм.

Церий-144 малоподвижен в почве. Рутений-106 плохо поглощается почвой, поэтому на дерново-подзолистых супесчаных почвах в связанной форме находится около 50% рутения-106, а на других почвах не более 60%. Рутений-106 образует комплексы с органическим веществом, находится в почве в виде коллоидов и интенсивно мигрирует по профилю почвы.

Поведение плутония в почве подобно поведению естественного радиоактивного тория. Около 80% изотопов плутония находится в аморфной форме, т.е. плутоний входит в состав аморфных соединений, покрывающих в виде пленок минеральные частицы. Остальные 20% плутония находятся в обменной (около 14%), подвижной (4,5%) и водорастворимой (1%) формах. Наиболее растворимы и подвижны соединения плутония, в которых он находится в степени окисления 5+ и 6+. Америций-241 находится в почве преимущественно в подвижной и водорастворимой форме. Установлено, что гидрооксиды америция и кюрия более растворимы и подвижны в почве, чем гидрооксиды плутония. Поведение радионуклидов в почве зависит от основных почвенных характеристик, которые определяют соотношение фракций и тип почвы.

Фракции почв различаются размерами частиц (гранулометрическим составом), физическими и химическими свойствами и минералогическим составом. Выделяют три основные фракции почвы: 1) фракция мелкого песка и крупной пыли; 2) фракция средней и мелкой пыли; 3) илистая фракция. Во второй и третьей фракциях, куда входят слюды, гидрослюды и минералы монтмориллонитовой и каолинитовой группы, наблюдается повышенное содержание кальция, магния и калия. Гранулометрический состав определяет поглотительную способность почвы, которая зависит от дисперсности почвенных частиц. С уменьшением размера частиц почвенных фракций сорбция ими Сs-137 повышается. Почвы с большим содержанием высокодисперсных частиц (размером от 0,2 до 0,001 мкм) имеют высокую емкость поглощения, высокое содержание оксидов железа, алюминия, марганца, гумуса и обменных катионов Са²⁺, Мg²⁺ и К⁺. Сорбционная поверхность частиц увеличивается от грубых фракций к тонким, т.е. у песчаной фракции она минимальная, у илистой фракции – максимальная (табл. 4).

Таблица 4. Сорбция радионуклидов различными фракциями