Изучение поведения цезия в почве

 

2. Характеристика Цезия-137

Среди антропогенных радионуклидов, глобально загрязняющих биосферу, особого к себе внимания требует радиоактивный цезий - один из основных источников, формирующих дозы внешнего и внутреннего облучения людей. Известно 34 изотопа цезия с массовыми числами 114-148, из них только один (¹³³Cs) стабильный, остальные - радиоактивны.

Из радиоактивных изотопов цезия наиболее интересен ¹³⁷Cs с периодом полураспада 30 лет. ¹³⁷Cs – β -излучающий нуклид со средней энергией β -частиц 170.8 кэВ. ¹³⁷Cs широко применяется в медицине (для диагностики и лечения), радиационной стерилизации, дефектоскопии и во многих других технологиях.

Известно, что выброс радиоактивного цезия в окружающую среду происходит в основном в результате испытаний ядерного оружия и аварий на предприятиях атомной энергетики.

Цезий легко мигрирует  во внешней среде, чему способствуют два обстоятельства. Во-первых, ¹³⁷Cs - конечный продукт цепочки распадов:  
, в которой йод и ксенон присутствуют в газовой фазе. При ядерных взрывах образуются мелкодисперсные частицы, адсорбирующие цезий и медленно выпадающие на поверхность земли. Процесс выпадения ускоряют атмосферные осадки и агрегация частиц с образованием более крупных. Во-вторых, при всех (кроме подземных) ядерных взрывах и аварийных выбросах предприятий атомной энергетики выпадения содержат цезий в хорошо растворимой форме, что имеет принципиальное значение в процессах его миграции. При наземных взрывах на силикатных почво-грунтах образуются слаборастворимые частицы. Содержание радионуклида в атмосферных осадках при ядерных взрывах в слаборастворимой форме колебалось в широких пределах - 3.3-82.4% (мас).

Выпавший на поверхность  земли радиоактивный цезий перемещается под воздействием природных факторов в горизонтальном и вертикальном направлениях. Горизонтальная миграция происходит при ветровой эрозии почв, смывании атмосферными осадками в низменные бессточные участки. Скорость миграции зависит от гидрометеорологических факторов (скорости ветра и интенсивности атмосферных осадков), рельефа местности, вида почв и растительности и физико-химических свойств нуклида.

Вертикальный перенос  цезия происходит с фильтрационными  токами воды и связан с деятельностью  почвенных животных и микроорганизмов, выносом из корнеобитаемого слоя почвы в наземные части растений и др. Подвижность и биологическая  доступность нуклида со временем снижается в результате перехода в "слабообменное" состояние.

В первые годы после выпадения  цезий в основном содержится в  верхнем, 5-10-сантиметровом, слое почвы независимо от ее вида. Удержание нуклида происходит благодаря высокому содержанию в верхнем слое мелкодисперсных фракций (особенно глинистых) и органических веществ, повышающих сорбционные свойства почвы. Проникновение радиоактивного цезия на глубины 30-50 см, очевидно, занимает десятки и сотни лет, однако перераспределение его по профилю почвы может произойти и быстрее - в результате сельскохозяйственной деятельности. В этом случае нуклид относительно равномерно рассредоточивается в пределах всего пахотного слоя.

По данным Ф.И. Павлоцкой (1974), для одной и той же почвы при одинаковых условиях интенсивность поглощения радионуклидов, как правило, увеличивается в ряду ¹⁰⁶Ru → ⁹⁰Sr → ¹⁴⁴Се → ¹³⁷Cs, а прочность связи - в ряду ⁹⁰Sr → ¹⁰⁶Ru → ⁹⁵Zr → ¹⁴⁴Се → ¹³⁷Cs. Наименее подвижными являются радионуклиды Cs.

 

 

 

 

 

 

2 Практическая часть

Почва: Серая лесная (размер фракции 0,63)

Навеска: 5г (на 1 опыт)

Vж.ф. = 25 мл (1:5)

 

2.1 Подготовка почв.

1) Декальцинирование -  обработка 0,5М H₂SO₄ (снимается гуминовые кислоты и полуторные оксиды щелочноземельных металлов).

2) Растворение гумуса - обработка 0,5М NaOH (растворяются остатки гумуса).

3) Растворение полуторных оксидов - обработка 0,5М HCl

В итоге получается 3 фракции почвы, обработанные различными растворами. Процесс протекает по следующей схеме:

 5г почвы + 25мл раствора H₂SO₄, либо NaOH, либо HCl → перемешивание 15-20 минут → фильтрация → промывка дистиллированной водой (25мл) → фильтрация → сушка

2.2 Титрование почв

Процесс протекает по следующей  схеме:

Проба раствора после обработки(10мл) + 10мл 0,4М K₂Cr₂O₇ + 4 капли дефиниламина + 2,5мл 85% H₃PO₄ → титрование 0,1М солью Мора.

Поведение окраски:

Красная → грязно-фиолетовая → бутылоч. зеленая → зеленая.

Экспериментальные данные:

На титрование 10мл K₂Cr₂O₇ – соли Мора 42 мл = V₀ (а).

Проба 1. Раствор обработанный H₂SO₄ (0,5М) 

Vт = 37,6мл

Проба 2. Раствор обработанный NaOH (0,5М)

Vт = 27,2мл

Проба 3. Раствор обработанный HCl (0,5М)

Vт = 26,3мл.

Таблица 1

Количество соли Мора, пошедшее на титрование после окисления гумуса (b), мл		Количество соли Мора, отвечающее количеству хромовой кислоты, израсходованной на окисление гумуса (а-b), мл	Гумус, %
H2SO4	37,6	42 – 37,6 = 4,4
NaOH	27,2	42 – 27,2 = 14,8
HCl	26,3	42 – 26,3 = 15,7

 

2.3 Сорбция Cs на обработанных почвах

Проводим сорбцию стабильного Cs с различными концентрациями 0,05 моль/л, 5·10^-3 моль/л, 5·10^-4 моль/л, 5·10^-5 моль/л. Для сравнения чистая проба.

5г почвы – 25мл раствора

Vстаб Cs ≤ 1мл

Cs(NO₃) (стаб.) – 1,55М

 

№	V (CsNO3)	C (CsNO3)
1	0,8 мл	0,05 моль/л
2	0,08 мл	5·10-3 моль/л
3	0,008 мл	5·10-4 моль/л
4	0,0008 мл	5·10-5 моль/л

 

Для 3 и 4 пробы, раствор 1,55М CsNO₃ разбавляем в 10 раз => V₃ = 0,8; V₄ = 0,08

 

Ход работы:

К 5г навески добавляем 25мл раствора и 0,8мл стабильного Cs. Ставим раствор на сорбцию в течение 2 часов, затем измеряем активность.

Экспериментальные данные

1. Cs стаб = 0,05 моль/л

Активность чистого раствора (V = 1мл):

 

Iф1 = 857 имп/100сек Iф2 = 927 имп/100сек Iф3 = 921 имп/100сек  имп/100сек

In1 = 2563 имп/100сек In1 = 2475 имп/100сек In1 = 2472 имп/100сек  имп/100сек

 

 

Активность после сорбции (V = 1мл):

I_ф = 866 имп/100сек

I_n1 = 1473 имп/100сек

I_n2 = 1329 имп/100сек

I_n3 = 1512 имп/100сек

 

I = I_n – I_ф

I₁ = 607 имп/100сек

I₂ = 463 имп/100сек

I₃ = 646 имп/100сек

 

 

 

 

 

 

Находим коэффициент распределения 

 

 

 

 

 

Зависимость степени сорбции  от обработки почвы различными растворами

 

Активность после сорбции (V = 1мл):

Cs стаб = 5·10^-3 моль/л

I_ф = 983 имп/100сек

I_n = 1403 имп/100сек

I = I_n – I_ф = 420 имп/100сек

 

Находим коэффициент распределения 

 

Активность после сорбции (V = 1мл):

Cs стаб = 5·10^-4 моль/л

I_ф = 983 имп/100сек

I_n = 1345 имп/100сек

I = I_n – I_ф = 362 имп/100сек

 

 

Находим коэффициент распределения 

 

Активность после сорбции (V = 1мл):

Cs стаб = 5·10^-5 моль/л

I_ф = 983 имп/100сек

I_n = 1332 имп/100сек

I = I_n – I_ф = 349 имп/100сек

 

Находим коэффициент распределения 

 

lg 5·10-3 = -2,3 lg 5·10-4 = -3,3 lg 5·10-5 = -4,3

S2 = 74,9 S3 = 78,4 S4 = 79,2

 

 

Таблица 2

C (Cs) моль/л	S, %	Kd
5·10-3	74,9	14,9
5·10-4	78,4	18,1
5·10-5	79,2	19

 

Зависимость величины сорбции  от концентрации

Вывод:

Согласно экспериментальным  данным, наибольшее значение величины сорбции и, соответственно, коэффициента распределения, соответствует концентрации цезия равной 5·10^-4 моль/л. Степень сорбции цезия зависит от его концентрации, чем концентрация меньше, тем сорбция цезия на почвах происходит лучше, следовательно, цезий закрепляется в большем на почвах при наименьшей концентрации.

2.4 Определение форм состояния Cs в почвах

Берем навеску 5г, добавляем 4мл исходного раствора Cs. Оставляем на неделю для проведения процесса десорбции.

1) Определение водорастворимых  форм.

К высушенной почве добавляется 25мл дистиллированной воды. После чего в течение 2 часов проводится процесс встряхивания. После этого дистиллированная вода сливается, производится замер активности и дальнейший расчет.

2) Определение обменных  форм.

В слитую почву добавляется 25мл 1М NH₄Ac, проводится процесс встряхивания. Затем сливается и производится замер активности и дальнейший расчет.

3) Определение кислотнорастворимых форм.

В оставшуюся почву добавляется 25мл 1М HCl. Затем сливается и производится замер активности и дальнейший расчет.

Десорбция цезия растворами NH₄Ac, HCl, H₂O

1 проба: H₂O → замер + NH₄Ac → замер + HCl → замер

I_ф = 902 имп/100сек

1) I₁ = 917 имп/100сек, I_1.1 = 15 имп/100сек

2) I₂ = 993 имп/100сек, I_2.2 = 91 имп/100сек

3) I₃ = 1279 имп/100сек, I_3.3 = 337 имп/100сек

H₂O:

 

NH₄Ac:

 

HCl:

 

 

2 проба: NH₄Ac → замер + HCl → замер + H₂O→ замер

I_ф = 877 имп/100сек

1) I₁ = 984 имп/100сек, I_1.1 = 97 имп/100сек

2) I₂ = 920 имп/100сек, I_2.2 = 33 имп/100сек

3) I₃ = 889 имп/100сек, I_3.3 = 2 имп/100сек

NH₄Ac:

 

HCl:

 

H₂O:

 

 

3 проба: HCl → замер + H₂O → замер + NH₄Ac → замер

I_ф = 882 имп/100сек

1) I₁ = 917 имп/100сек, I_1.1 = 35 имп/100сек

2) I₂ = 893 имп/100сек, I_2.2 = 11 имп/100сек

3) I₃ = 945 имп/100сек, I_3.3 = 63 имп/100сек

HCl:

 

H₂O:

 

NH₄Ac:

 

2.5 Десорбция цезия растворами

Десорбция цезия растворами FeCl₃, NH₄Cl, смесь.

4 проба: FeCl₃ (0,5М) → замер + NH₄Cl (0,5М) → замер

I_ф = 887 имп/100сек

1) I₁ = 1003 имп/100сек, I_1.1 = 116 имп/100сек

2) I₂ = 989 имп/100сек, I_2.2 = 99 имп/100сек

FeCl₃:

 

NH₄Cl:

 

 

5 проба: NH₄Cl (0,5М) → замер + FeCl₃ (0,5М) → замер

I_ф = 882 имп/100сек

1) I₁ = 907 имп/100сек, I_1.1 = 25 имп/100сек

2) I₂ = 931 имп/100сек, I_2.2 = 49 имп/100сек

NH₄Cl:

 

FeCl₃:

 

 

6 проба: смесь FeCl₃ и NH₄Cl (0,25М)

I_ф = 931 имп/100сек

I₁ = 1018 имп/100сек, I_1.1 = 87 имп/100сек

 

 

Вывод:

Из диаграммы видно, что  более равномерная и полная десорбция  цезия из почв соответствует пробе 3 (десорбция HCl, H₂O, NH₄Ac), пробе 4 (десорбция FeCl₃, NH₄Cl) и пробе 5 (десорбция NH₄Cl, FeCl₃). Десорбция цезия не протекает на 100%, что можно видеть благодаря экспериментальным данным, следовательно остается закрепленная форма цезия на почве. Извлечение цезия из почв такого состава лучше проводить раствором NH₄Cl, FeCl₃ в данной последовательности, либо их смесью.

<