Вспомогательный материал для выполнения темы 4

 

Дается краткая характеристика структурных элементов ландшафта. К ним относятся фации, урочища (подурочища) и местности. На крупно- и среднемасштабных ландшафтных картах обязательно выделяются урочища. Подурочища и местности выделяются по мере необходимости. Рассмотрим эти положения. Урочища представляют собой сложно организованный природно-территориальный комплекс (ПТК), состоящий из группы смежных фаций (или их сочетаний).

Фации могут быть фоновые, второстепенные, доминантные и субдоминантные среди фоновых. Поскольку в дифференциации урочищ ведущая роль принадлежит рельефу и породам, то именно этим факторам и отводится определяющее значение при названии урочищ. Например: урочища мореных холмов и увалов с подзолистыми почвами под ельниками-черничниками зеленомошными; урочища межувалистых низин с болотными, дерново-глеевыми и болотно-подзолистыми почвами под осоковыми лугами и ельниками долгомошными.

Местность – довольно крупный ПТК в ландшафте, особенности которого обусловлены комплексом мезоформ рельефа. Обособление местностей может быть вызвано различными причинами: эрозией и денудацией более древних пород, близким залеганием к поверхности пород иного генезиса, разной интенсивностью флювиальных (водных) потоков.

Названия местностей: местности сырых и сухих оврагов, вскрывающих известняки; местность гривистой (прирусловой) поймы реки с иллювиальными почвами; урочища и фации местности столовых останцовых гор или плато; местности высоких мореных холмов среди болотных урочищ; местности карстовых полей (Каргополье, Архангельская область).

Фация – это функционально целостный, элементарный ПТК. В пределах одного мезорельефа, как правило, залегают 2-3 и более фаций. Названия: фация сосняка-брусничника со среднеподзолистой гумусово-железистой почвой боровой террасы р. Мезени; фация ивняка осоково-таволгового с пойменной дерново-глеевой почвой притеррасной поймы р. Сев. Двины.

 

_______________

Часть 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

  

Физико-химические (инструментальные) методы, используемые для оценки экологического состояния аграрных и иных ландшафтов

 

Вопросы для самоконтроля

1. Почему природные сорбенты рассматриваются почвоведами и экологами как фактор качества жизни и экологической безопасности  людей и биосферы?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

2. Назовите основные классы природных и искусственных сорбентов.

 

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

 

3. Приведите примеры гидрофобных и гидрофильных сорбентов. Какие классы веществ они сорбируют?

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

4. Что такое сорбция? Какие процессы преобладают на сорбционном барьере, например, в горизонте А₁ лесной дерново-подзолистой почвы?

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Лабораторная работа № 1

 

«Природные и искусственные сорбенты - фактор качества жизни и экологической безопасности». Рекомендуются следующие варианты (и темы) лабораторной работы №1.

  

Тема №1а. Использование ионообменной хроматографии для очистки различных водных растворов от катионов и анионов.

  

В лабораторной работе № 1а студенты проводят очистку одного из природных водных растворов от ионов. Применяются стеклянные хроматографические колонки или стеклянные фильтры - Нутча (№2, 3, 4). Сорбенты : катионит КУ-2 в Н⁺ форме и анионит АВ-17 в CL^- или ОН^- формах. Обсуждаются как теоретические аспекты кинетики, статики и динамики сорбции, так и практические аспекты данного метода: использование деионизированной воды в химии, экологии и медицине.

При интерпретации полученных результатов опытов рекомендуется использовать научные публикации В.В. Рачинского, А.Д. Фокина, А.И. Карпухина и И.М. Яшина, в частности, в журналах «Известия ТСХА» и «Почвоведение» за период с 1961 по 2008 годы. В.В. Рачинский, например, известен как крупный специалист в области динамики сорбции и хроматографии. А.Д. Фокин, А.И. Карпухин и И.М. Яшин проводили длительные стационарные исследования по миграции и трансформации органических и органо-минеральных веществ (в том числе и тяжелых металлов) в почвах тайги. Они являются учениками научной школы В.Р. Вильямса - С.П. Яркова –  И.С. Кауричева. Указанные исследователи внесли крупный вклад в изучение генезиса почв, их свойств и обоснование экологических функций гумусовых соединений. И.М. Яшин известен своими работами по лизиметрии: разработке и совершенствованию метода сорбционных лизиметров, оценке барьеров миграции и трансформации веществ в почвах таежной зоны.

Для более полного познания процессов сорбции веществ и ионов тяжелых металлов, в частности, в сорбционных лизиметрах, установленных в профиле почвы, необходимо проводить лабораторные исследования по их сорбции разными сорбентами. Необходимо установить емкость сорбентов, чтобы правильно рассчитать их мощность в колонках. Важно также подобрать и эффективные элюенты. Рассмотрим эти вопросы.

 

 

Фракционирование смеси ионов с помощью сорбции на ионитах

Цель работы: определение полной обменной емкости катионита КУ-2 в Н⁺ форме и разделение смеси катионов на ионообменной сорбционной колонке.

Задачи: ознакомить студентов с теорией ионообменной сорбции.

 

Общая часть

При проведении лизиметрических опытов с помощью метода сорбционных лизиметров нередко возникает ситуация, когда в лаборатории приходится разделять смесь катионов на сорбенте. В этой связи рассматриваемая лабораторная работа имеет важное научно-практическое значение.

Реакции ионного обмена протекают на катионите в Н⁺ форме (1) и анионите в ОН^-  форме (2) следующим образом:

   RSO₃^-H⁺ + NaOH → RSO₃^-Na⁺ + Н₂О           (1)

RNH₃^-OH^- + HCl → RNH₃⁺Cl^- + Н₂О           (2)

При статическом методе смолу, например катионит в Н⁺ форме, титруют раствором щелочи. При динамическом методе величина ПОЕ определяется в динамике с помощью хроматографических колонок. Через сорбционную колонку, заполненную ионообменной смолой, пропускают раствор электролита и регистрируют зависимость концентрации поглощаемого иона в выходящем растворе (элюате) от объема прошедшего раствора (выходная кривая).

В данной работе величина ПОЕ сульфокатионита КУ-2 в Н⁺ форме определяется по количеству образовавшейся кислоты в элюате, в результате вытеснения из смолы ионов Н⁺ ионами Na⁺:

RSO₃^-H⁺ + Na⁺ + Cl^- → RSO₃^-Na⁺ + Н⁺ + Cl^- (3)

ПОЕ сорбента рассчитывают по формуле (4):

ПОЕ =                                                     (4)

где V_общ ─ суммарный объем раствора, содержащий

            вытесненную из смолы кислоту (ионы Н⁺);

   с ─ концентрация кислоты (ммоль/л);

   m ─ масса ионообменной смолы в колонке (г).

 

Если через колонку с катионитом, в верхней части которой находится сорбированный ион M^z+, пропускается раствор кислоты, то в смоле происходит многократный процесс ионного обмена:

zRSO₃^-H⁺ + М^{z +} ↔ (RSO₃^-)_zM^{z +} + zH⁺            (5)

В условиях сорбционного равновесия при распределении ионов между протекающим раствором и слоями ионита (равновесная сорбция) отношение между концентрациями иона М^{z +} в смоле и растворе с (при малых значениях концентрации) равно:

                                                    (6)

Скорость нисходящего перемещения хроматографической зоны с постоянной концентрацией иона по высоте сорбционной колонки равна:

                                                    (7)

где v ─ объемная скорость пропускания раствора кислоты (см³/с);

   s ─ площадь сечения колонки (см²).

В реальных почвенных условиях равновесие не успевает полностью установиться вследствие медленной диффузии ионов в частицах почвы, что приводит к размытию хроматографической зоны. Весьма четко диффузное размытие выражено в почвах, испытывающих оглеение. Здесь обычно выражена сегрегация ионов закисного железа.

Выражение (7) можно преобразовать следующим образом:

V_max = vτ_max;                (8)

где V_max и τ_max ─ объем протекающего через колонку раствора и время, отвечающее максимуму выходной кривой (мл и с);

h  ─     длина колонки см.

При малых концентрациях иона М^z+ и постоянной концентрации кислоты производную можно заменить на отношение конечных величин  и считать концентрацию ионов водорода в смоле [H⁺] равное ПОЕ. Тогда:

                                           (9)

Из уравнений (6) ─ (9) следует:

   K_1,2 =                                               (10)

Значение V_max находят с учетом поправки на свободный объем колонки V_о:

   V_max = V*_max ─ V_o                                          (11)

где V*_max ─ объем элюата, вышедшего из колонки от начала элюирования М²⁺ в элюате (максимум на выходной кривой).

При хроматографическом разделении ионов широко используется различная их склонность к образованию комплексных соединений.

Например, кобальт и медь могут быть разделены в колонке с сульфокатионитом при помощи десорбента ─ раствора цитрата калия (лимоннокислый калий). Если пропустить через катионит в К⁺ форме раствор, содержащий небольшое количество разделяемых элементов в отсутствие комплексообразователя, то ионы кобальта и меди поглощаются в верхнем слое смолы. Разделить кобальт и медь динамическим методом, промывая колонку раствором, содержащим ионы K⁺, трудно, так как константы обмена ионов Со²⁺ и Cu⁺ на ион K⁺ отличаются не намного. Если через колонку пропускать раствор цитрата калия (десорбент), то при контакте его со смолой происходит частичная десорбция меди и кобальта вследствие комплексообразования, например:

(RSO₂^-)₂М²⁺ + 2K⁺ + А^3- ↔ 2RSO₃^-K⁺ + [MA]^- (12)

где А³ ─ комплексообразующий анион лимонной кислоты.

С лимонной кислотой ионы кобальта и меди образуют несколько различных комплексных соединений [MA]^-, [MA₂]^4- и другие, которые не адсорбируются на катионите.

Таким образом, в присутствии органических лигандов (моно,- би,- три,- и полициклических) уменьшается концентрация катионов Со²⁺ и Cu²⁺, способных сорбироваться на катионите, и возрастает дóля несорбирующихся комплексных Со и Cu. При инфильтрации через слой сорбента вытеснителя (цитрата калия) происходит многократная сорбция-десорбция разделяемых ионов, причем катионы меди, образующие более устойчивые комплексы [R-Cu]^4- передвигаются вниз по слою ионита с бóльшей скоростью и отделяются от аналогов кобальта. В результате образуются различные по окраске зоны: голубая для Cu и оранжевая для Со.

Указанные положения теории иообменной сорбции в той или иной мере рассматривались нами ранее при изучении трансформации в сорбционных лизиметрах известковых мелиорантов и мобилизации в раствор ионов кальция и ряда тяжелых металлов. В полевых опытах было показано, что преимущественно ионы кальция и часть массы ионов тяжелых металлов не сорбируются катионитом КУ-2 и в заметных количествах проникают в приемник лизиметрических вод. Таким образом, их форма миграции в профиле почвы становится более определенная.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: