Перенос веществ на границе раздела почва — вода играет важную роль в процессе загрязнения вод в результате применения химических препаратов или их поступления в почву с дождем, в результате искусственного орошения и собственно переноса этих веществ в почве, например, в виде водных растворов. Загрязнение вод может происходить как водой, стекающей по поверхности почвы, так и водой, проникающей на всю глубину почвы. Для всех переходов химических продуктов через границу почва — водная фаза основную роль играют процессы адсорбции.
Коэффициент адсорбции почвы определяется как отношение концентрации адсорбированного вещества на твердом теле к его концентрации в водном растворе в равновесном состоянии. Адсорбцию химических соединений в почве можно описать двумя способами — с помощью уравнения Ленгмюра и уравнения Фрейндлиха.
Уравнение адсорбции Ленгмюра (изотерма адсорбции) описывает зависимость адсорбции от концентрации адсорбируемого вещества следующим образом:
Х K1*K2*Ce
----- = -------------
m 1+K2*Ce (4.1)
где X/m - отношение массы адсорбированного вещества к массе адсорбента, К1 и K2 - константы, характеризующие рассматриваемую систему, Се - равновесная концентрация вещества в растворе.
При выводе уравнения Ленгмюра предполагается, что теплота адсорбции не зависит от степени заполнения поверхности, иначе говоря, поверхность адсорбента предполагается однородной в энергетическом отношении.
При выводе уравнения Фрейндлиха, напротив, предполагается, что вследствие гетерогенности адсорбирующей поверхности по мере увеличения заполнения адсорбента теплота адсорбции падает. Уравнение изотермы адсорбции Фрейндлиха записывается следующим образом
Х
----- = К*Се1/n
m (4.2)
Здесь К - безразмерная константа адсорбции, или коэффициент адсорбции. Показатель степени 1/n дает возможность оценить интенсивность адсорбции. Адсорбция многих органических соединений в почве подчиняется в большей степени уравнению Фрейндлиха; зависимость по Ленгмюру наблюдается значительно реже. Если представить уравнение Фрейндлиха графически в логарифмических координатах по осих, то зависимость X/m от концентрации становится прямолинейной с наклоном 1/n, а константа К определяется точкой пересечения этой прямой с осью ординат.
Поскольку в адсорбции в значительной мере участвует органическая составляющая почвы, часто оказывается целесообразным определение коэффициента адсорбции, отнесенного к органическому углероду, содержащемуся в почве (ОУ). Такой коэффициент адсорбции Коу записывается следующим образом:
К*100
Коу = -----------
%ОУ (4.3)
Однако химические соединения адсорбируются не только на органическом материале почвы, но и на минеральной фракции, причем эта часть суммарной адсорбции зависит от свойств почвы и структуры адсорбирующегося химического соединения. Адсорбция осуществляется не только связыванием поверхностью или взаимодействием между веществом и структурным скелетом почвы. В понятии адсорбции объединяются различные стадии процессов локализации химического вещества на отдельных участках поверхности и распределение адсорбирующегося вещества в объеме (водная фаза и органическое вещество почвы).
Десорбция адсорбированных веществ водой или солевыми растворами никогда не идет до конца. Это означает, что адсорбция обычно обратима неполностью. Недесорбирующаяся часть состоит из прочно связанных молекул, которые можно снять с поверхности только интенсивной экстракцией органическими растворителями, и «неэкстрагируемого остатка». Они могут быть, например, химическими веществами, которые получаются в результате реакций загрязняющих веществ с гуминовыми компонентами почвы с образованием ковалентных связей и их включением в полимерные макромолекулы гуминовых компонентов; также может происходить необратимое встраивание загрязняющих веществ в слоистую структуруглинистыхминералов или в пустоты гуминовых макромолекул.
Адсорбция играет основную роль в процессе перемещения химических соединений в почве, а также при их испарении из почвы и поглощении растениями. Адсорбция замедляет массоперенос в почве. Массоперенос растворенных химических веществ является функцией диффузии, конвекции и дисперсии веществ, а такжеих разложения абиотическими и биотическими реакциями.
Диффузия (диффузионный массоперенос) является физическим процессом, в ходе которого молекулы, атомы или ионы в результате теплового движения (броуновское движение) перемещаются из области большей концентрации в область с меньшей. Этот процесс происходит независимо от течения воды. В пористом объеме почвы диффузия идет медленнее, чем в свободной жидкости.
Конвекция (конвективный массоперенос) представляет собой принудительное перемещение растворенных веществ потоком воды. Она оценивается как произведение объемного потока воды (скорость фильтрации) и концентрации растворенных веществ в воде.
Дисперсией (дисперсионный перенос) называют перераспределение (соответственно перемешивание) растворенных веществ в движущейся в порах воде, вызванное неоднородностью поля скоростей потока в каждом отдельно взятом объеме воды в поре. Наряду с конвекцией дисперсия вносит свой вклад в общий массоперенос химических веществ в грунтовых водах, причем этот вклад зависит от скорости перемещения почвы.
Учитывают также дополнительные параметры, зависящиеотподвижности химических соединений, например:
- сток, сопровождающийся смещением в сторону;
- подъем воды из глубины почвы, вызванный испарением с поверхности;
- проявления трехфазных равновесий между самим веществом, его водным раствором и тем же веществом, адсорбированным на различных компонентах почвы;
- перенос (транспорт) вдоль трещин, ходов дождевых червей и других макропор.
Так как химические соединения, прежде чем они оказываются в фильтрационных или грунтовых водах, находятся в непосредственном контакте со структурными составляющими почвы, весьма вероятно, что в ней появляются водорастворимые продукты превращений, образовавшиеся на основе ферментативных иди абиотических реакций, причем их присутствие даже более вероятно, чем самого исходного вещества. Поэтому перед анализом грунтовых вод на содержание какого-либо химического соединения необходимо выявить и провести анализ полярных продуктов превращений этого вещества, происходящих в почве.