Тема. ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ В ГРУНТІ ТА ПРОБЛЕМИ ПЕДОСФЕРИ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Грунт як унікальна природна система Склад грунту. Фізико-хімічні основи родючості Процеси вивітрювання. Мінеральні компоненти грунту Органічні і біокомпоненти ґрунту Склад грунтового розчину та повітря Поглинювальна здатність грунтів та іонний обмін Забруднення ґрунтів
Ґрунт — природнє утворення, що складається з генетично пов'язаних горизонтів, які формуються в результаті перетворення поверхневих шарів літосфери під впливом фізичного, хімічного та біологічного вивітрювання. Ґрунт багатокомпонентна, динамічна система, що включає гірські породи, верхній природний шар земної кори, техногенні утворення і складається з твердих (тверді мінерали, лід і органомінеральні структури), рідких (водні розчини), газоподібних (повітря, гази) і біологічних або живих (макро і мікроорганізми) компонентів. В інженерній геології — гірська порода, а також відходи виробничої діяльності, що їх використовують як основу, середовище або матеріал для зведення будівель та інженерних споруд. На тип, склад та характеристику ґрунтів впливають також материнська порода, клімат, рельєф, геологічний вік території, притаманна території флора та фауна, діяльність людини тощо. Однією з основних характеристик ґрунту є його родючість.
Ґрунтотворні фактори
Профілі ґрунтів
Грунт це багатофазна гетерогенна система, яка складається з декількох компонентів або середовищ: Компоненти грунту - твердого компонента (мінерального "скелета") - 50 -60% об'єму; - органічного і біокомпонента ("тіло" грунту) - 10%; - рідини (грунтовий розчин - її "кров") - 15 -25%; - газ (грунтове повітря - її "дихання") - 25 -35%. Для типових грунтів характерно наступне співвідношення об’ємів твердої, рідкої і газоподібної фаз: Т : P : Г = 2 : 1.
Характерною особливістю грунтів є їх поліхімізм - великий набір хімічних елементів і речовин, причому один і той же елемент, як правило, представлений декількома сполуками, які, у свою чергу, входять до складу різних фаз. За абсолютним змістом в грунтах розрізняють: - макроелементи - Si, O (десятки відсотків), Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, C (від десятих доль відсотка до декількох відсотків); - перехідні до мікроелементів - Ti, Mn, N, P, S, H (соті і десяті долі відсотка); - мікро- і ультрамікроелементи - Ba, Sr, B, Rb, Cu, V, Cr, Ni, Co, Li, Mo, Cs, Se та ін. ( від 10 -3 до 10 -10 відсотка).
Вміст основних хімічних елементів в земній корі
Грунтовий покрив утворюється на континентальній поверхні земної кори верхнього шару літосфери, тому склад його залежить від хімічного складу материнських пород Магматичні гірські породи виникають при твердінні магматичного розплаву силікатного складу на поверхні земної кори (ефузивні породи) або в її глибинах (інтрузивні породи). Інтрузивні магматичні породи утворюються при повільному застиганні виверженої магми, що не досягла поверхні Землі. До них відносяться, наприклад, граніт, діорит, габро, перидотит. Ефузивні магматичні породи при схожому мінералогічному складі істотно відрізняються від інтрузивних порід по своїй структурі, оскільки утворюються при швидкому охолодженні на поверхні Землі, що обумовлює їх дрібнокристалічну структуру. Аморфні мінерали, що утворилися при дуже швидкому охолодженні магми, дістали назву вулканічних стекол. Осадові гірські породи утворюються шляхом відкладення матеріалу зруйнованих або розчинених гірських порід, їх характерною особливістю є залягання шарами. По складу і походженню осадові породи підрозділяються на уламкові, хемогенні і біогенні. Уламкові породи є продуктом механічного руйнування початкових порід. До них відносяться (в порядку збільшення розміру часток) глини, пісок, гравій, галька, щебінь, брили і валуни. Хемогенні породи утворюються в результаті кристалізації з'єднань з природних розчинів. До них відносяться галит (Na. Cl), ангідрит (Ca. SO 4), гіпс (Ca. SO 4 · 2 H 2 O), вапняки (Сa. CO 3) та ін. Біогенні гірські породи формуються в результаті життєдіяльності живих організмів. По хімічному складу їх підрозділяють на карбонатні, крем'янисті і фосфатні. Метаморфічні породи формуються в результаті перетворення (метаморфізму) магматичних або осадових порід в глибинах Землі під впливом високих температур і тисків в результаті твердофазних перетворень. Метаморфізм проявляється в перетворенні структури порід, їх перекристалізації без зміни хімічного складу. До метаморфічних порід відносяться сланці, гнейси, мармур та ін
Класифікація порід
1. Мономерні силікати (ортосилікаты) олівін, форстерит (Mg 2 Si. O 4) і інші побудовані з окремих тетраедрів Si. O 4 4 , пов'язаних з атомами металу 2. Ланцюгові силікатати, наприклад енстатит Mg. Si. O 3 3. Силікати з подвійним ланцюгом , наприклад, тримоліт Ca 3 Mg 5 Si 8 O 22(OH)2 4. Шаруваті силікати. Ця структура є основним каркасом для групи слюди, наприклад мусковіту Mg 3(Si 4 O 10)(OH)4, і усіх глинистих мінералів. 5. Каркасні силікати. У структурі кожен атом кисню належить двом сусіднім тетраедрам, співвідношення Si : O рівне 1: 2. Простий мінерал цього класу кварц Si. O 2. Деякі позиції тетраедрів можуть заміщатися алюмінієм, що обумовлює велику різноманітність каркасних алюмосилікатів. До цього класу відносяться, наприклад, польові шпати найбільш поширена група мінералів земної кори. Наприклад, польовий шпат ортоклазе KAl. Si 3 O 8
Механізми хімічного вивітрювання • Розчинення мінералів. Наприклад, галіт: Na. Cl → Na+ + Cl • окислення мінералів під дією кисню повітря. Реакції каталізуються мікроорганізмами. Прикладом є окислення піриту, каталізоване залізобактеріями: 2 Fe. S 2 + 7 ½O 2 + 7 H 2 O → 2 Fe(OH)3. + 2 H+ + SO 42 Відновлені залізовмісні силікати, наприклад багатий залізом олівин фаяліт, також окислюється киснем: Fe 2 Si. O 4 + ½O 2 + 5 H 2 O → 2 Fe(OH)3 + H 4 Si. O 4 • Кислотний гідроліз є домінуючим процесом вивітрювання у верхньому шарі земної кори. Ca. CO 3 + СО 2 + Н 2 О ↔ Сa 2+ + 2 HCO 3 Гідроліз простого силікату - форстериту, що відбувається відповідно до загального рівняння: Mg 2 Si. O 4. + 4 H 2 CO 3 -→ 2 Mg 2+ + 4 HCO 3 - + H 4 Si. O 4 • Поширеніше при кислотному гідролізі неповне (інконгруентне) розчинення, при якому розчинення початкового мінералу супроводжується осадженням іншого малорозчинного з'єднання і відповідно утворенням іншого мінералу. Усереднений процес вивітрювання порід верхнього шару земної кори, в якій переважають польові шпати серії плагіоклазів, ілюструється спрощеною реакцією вивітрювання багатого кальцієм плагіоклаза анортиту : Ca. Al 2 Si 2 O 8. + 2 H 2 CO 3 -. + H 2 O → Сa 2+ + 2 HCO 3 - + Al 2 Si 2 O 5(OH)4
Структурні одиниці лігніну
Схема структурної одиниці гумінової кислоти (За Д. С. Орловим)
Сукупність мінеральних, органічних і органомінеральних компонентів твердої фази грунту, що мають іонообмінну здатність, носить назву грунтового поглинаючого комплексу (ГПК).
Важливою характеристикою ГПК є ємність катіонного обміну (ЄКО). Під місткістю катіонного обміну розуміють загальну кількість катіонів одного роду, що утримуються грунтом в обмінному стані за стандартних умов і здатних до обміну на катіони розчину, що взаємодіє з грунтом. Одиниця виміру ЄКО ммоль еквівалентів (ммоль позитивних зарядів) на 100 г грунту (ммоль(+)/100 г).
Поглинальна здатність грунтів
Наслідки антропогенних впливів на ґрунти Вид впливу Обробіток ґрунту Основні зміни ґрунтів Важкі механічні агрегати (при оранці, борону ванні, розпушуванні) ущільнюють структуру ґрунту, а отже, змінюють умови існування в ньому організмів; посилюється взаємодія з атмосферою, вітрова та водна ерозія Сінокоси, збирання врожаю Вилучення деяких хімічних елементів, збіднення ґрунтів, підвищення випаровування Випас худоби Ущільнення ґрунту, знищення рослинності, яка скріплює грунт, ерозія, збіднення ґрунтів рядом хімічних елементів, висушування, біологічне забруднення Випалювання старої трави Знищення ґрунтових організмів в поверхневих шарах, посилення випаровування Заболочення та засолення ґрунтів, зміна водно повітряного режиму, теплового і поживного режиму ґрунту; підняття рівня ґрунтових вод і зміни їх хімічного складу Зниження вологості, вітрова ерозія, зміна водно повітряного режиму, теплового і Осушення поживного режиму ґрунту; зникнення боліт, міління річок Внесення добрив Підкислення земель і втрат ними гумусу Застосування отруто хімікатів та Загибель ряду ґрунтових організмів, комах запилювачів, накопичення небезпечних для гербіцидів живих організмів отрут, зміна складу ґрунту пригнічення біологічної активності ґрунтів Створення промислових та Зниження площі придатної для сільського господарства землі, отруєння ґрунтових побутових звалищ організмів на прилеглих ділянках Зволоження, зміна складу ґрунтів, отруєння ґрунтових організмів, забруднення Стічні води органічними та хімічними речовинами Знищення лісів Посилення вітрової та водної ерозії, випаровування Ущільнення ґрунту при руху поза дорогами, отруєння ґрунтів від працьованими газами Робота наземного транспорту та сипкими матеріалами Зрошення Викиди в атмосферу Вивезення органічних відходів виробництва та фекалій на поля Шум, вібрація, енерге тичні Забруднення ґрунтів хімічними речовинами, зміна їх кислотності та складу Забруднення ґрунтів небезпечними організмами, зміна їх складу Сповільнення росту рослин, загибель живих організмів
Наслідки ерозії грунтів
Забруднення грунтів Основними джерелами забруднення ґрунту є: · Житлові будинки та побутові підприємства: у числі забруднюючих речовин переважає побутове сміття, харчові відходи, фекалії, будівельне сміття, відходи опалювальних систем, сміття громадських закладів (ліка рень, їдалень, готелів, магазинів тощо). · Промислові підприємства: у твердих і рідких промислових відходах постійно присутні ті речовини, які здатні спричиняти токсичний вплив на живі організми та їх угруповання. Наприклад: o у відходах металургійної промисловості наявні солі кольорових та важких металів; o машинобудівна промисловість засмічує довкілля ціанідами, сполуками арсену, берилію; o при виробництві пластмас та штучних волокон утворюються відходи бензолу та фенолу; метанол, фенол, скипидар; o кубові залишки харак терні відходи целюлозно паперової промисловості. · Теплоенергетика: окрім утворення значних кількостей шлаків при спалюванні кам'яного вугілля в атмосферу потрапляє багато сажі, оксидів сірки, які у кінців надходять у грунт. · Сільське господарство: мінеральні добрива, пестици ди, хімічні засоби захисту рослин є джерелами забруднення ґрунту важ кими металами (свинець, ртуть, цинк, манган); накопичення важких металів у ґрунті зумовлює зміни його складу і властивостей. · Транспорт: при роботі двигунів внутрішнього згорання інтенсивно виділяються оксиди азоту, свинець, вуглеводні та інші речовини, які осідають на поверхні ґрунту або поглинаються рослинами. Крім того, під час руху автомобільного транспорту на трасах залишаються бензин, мастила, бруд із вмістом токсичних речовин, все це дощовими потоками змивається в навколишні ґрунти.
• • Розрізняють три ступені забруднення, що вимагають таких дій: профілактика, перебудова, припинення використання ґрунтів. При надходженні в ґрунти доз важких металів, що не обумовлюють перевищень гранично допустимих концентрацій (ГДК), рекомендується проведення профілактичних заходів та здійснення моніторингу стану ґрунтів і рослин. В тих випадках, коли в ґрунтах і в деяких рослинах перевищуються ГДК та існує небезпека для здоров'я людей, рекомендується застосовувати меліоративні, агрономічні, селекційні заходи та розробляти організацію раціонального використання забруднених земель. Для зменшення рухомості важких металів і переходу їх до фітоценозів кислі ґрунти вапнують, лужні гіпсують, використовують фосфорні і органічні добрива, вносять іонообмінні речовини (цеоліти, гранули полістиролу, кремнійорганічні сполуки), підбирають рослини, які найменш вбирають важкі метали, наприклад — льон, конопля. Найбільш забруднені ґрунти відводять під залісення. Відповідно до статті 84 Земельного кодексу України, власники землі і землекористувачі, в тому числі орендарі, зобов'язані здійснювати захист земель від забруднення відходами виробництва, хімічними і радіоактивними речовинами. Для цього необхідно знати їх просторовий розподіл в межах відповідних земельних масивів. Традиційно це завдання вирішується шляхом відбору деякої кількості проб ґрунту та зразків фітоценозів в межах кожного з них для подальшого аналізу, наприклад, рентгено флуоресцентним методом. Необхідна кількість проб, зазвичай, визначається для кожного випадку з вимог задоволення умовам репрезентативності їх статистик.
Трансформація та міграція важких металів у грунті
Актуальні завдання щодо санітарної охорони грунту • Перед вченими і практиками виникає низка актуальних завдань щодо санітарної охорони грунту. Основні з них такі: • 1) охорона грунту від забруднення побутовими викидами та відходами, які є шкідливими для здоров'я людини через вміст у них патогенних мікроорганізмів, яєць гельмінтів, комах – переносників інфекційних хвороб; • 2) гігієнічна оцінка методів збирання, вивезення, знешкодження та утилізації промислових, сільськогосподарських і побутових викидів та відходів; • 3) розробка й уніфікація методів дослідження з нормування та гігієнічної оцінки вмісту шкідливих речовин у грунті та деякі інші. Розв'язати завдання можна на основі аналізу результатів наукових досліджень у цій галузі та розроблення якісно нових принципів і методів оцінки ступеня забруднення та самоочищення грунту й організації проведення санітарного нагляду.
Скачать презентацию Тема ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ В ГРУНТІ ТА ПРОБЛЕМИ ПЕДОСФЕРИ
Тема грунти.pptx