Оценка сорбционной способности разных типов почвогрунтов по отношению к цезию и стронцию

К настоящему времени в связи с резкими изменениями радиационного состава среды преимущественно вследствие аварий и радиационных воздействий, превышающих фон в той же, что и в естественных аномальных районах, кратности, численность облучаемого населения примерно удвоилась. В последнее время события, происходящие в области атомной энергетики, вызывают определённый интерес всего мирового сообщества. Крайнюю озабоченность проявляют многие исследователи в связи с последствиями аварии на атомных станциях (в Чернобыле, на АЭС «Фукусима» в Японии). Подобные чрезвычайные ситуации могут иметь катастрофические последствия, связанные с радиоактивным загрязнением объектов окружающей природной среды, в том числе и опасным влиянием на человека. Одним из следствий таких крайне неблагоприятных ситуаций является масштабное загрязнение радионуклидами почв.

После Чернобыльской аварии некоторые территории Европейской части РФ были загрязнены техногенными радионуклидами. Радиационная обстановка на этих территориях до сих пор определяется наличием долгоживущего продукта аварии - 137Cs. На Азиатской территории России имеется несколько зон, загрязненных в результате радиационных аварий на предприятиях ядерного топливного цикла [2]. Радиационно загрязненные земли предприятий Росатома составляют 377 км2 (78,3%), а загрязненные водоёмы - 104,4 км2 (21,7%). Причем следует отметить, что подавляющая часть территорий загрязнена радионуклидами 137Cs, 90Sr и 60Co (97,31%).

В экологическом отношении наибольшую опасность представляют 90Sr и 137Cs, что обусловлено длительным периодом полураспада (28 лет 90Sr и 33 года 137Cs), высокой энергией излучения и способностью легко включаться в биологический круговорот, в цепи питания.

Изотопы цезия при любом поступлении в организм включается в метаболизм, конкурируя с калием, в том числе и 40К. Скорость миграции в организме в 25 раз меньшая, что при более жестком Y-излучении изотопа ведет к формированию больших (по сравнению с 40К) микролокальных лучевых нагрузок, при несколько ином характере поглощения энергии.

Стронций по химическим свойствам близок к кальцию и входит в состав костных тканей, а цезий близок к калию и включается во многие реакции живых организмов. Поступление стронция в организм зависит степени и характера включенности метаболита в почвенные органические структуры, продукты питания и колеблется от 5 до 30%, при большем проникновении в детский организм. Выводится крайне плохо. Стронций является эффективным β-излучателем.

Почва, как сложная многофазная система, в которой постоянно протекают физические, химические и биологические процессы, оказывает значительное влияние на формирование миграционных потоков радионуклидов во внешней среде. Почва является начальным звеном обмена экосистем. Ее функциональное состояние определяет эффективность преобразования радиационной (солнечной и радиоактивной) энергии в биологические структуры.

Целью настоящей работы стало исследование сорбционной емкости почв по отношению к цезию, кобальту, стронцию.

Так как разные типы почв не одинаково сорбируют радиоактивные элементы, в настоящей работе были взяты почвы и грунты разного генезиса, а значит с различающимися показателями их химического состояния.

Для проведения экспериментальных работ по подготовке радиационно-загрязненного грунта к приповерхностному захоронению было использовано четыре вида образцов почвы (грунта): чернозем типичный, серая лесная почва, аллювиальная дерновая почва и донные отложения. По своему генезису и свойствам, указанным почвам присущи разные значения рН (от нейтральных до щелочных), содержание органического вещества (гумуса), гранулометрический состав и др. Соответственно почвы должны проявлять отличную друг от друга сорбционную ёмкость по отношению к радиоактивным элементам. В эксперименте пробы почвы отбирались из гумусового горизонта.

Значительная роль в исследовании взаимодействия радионуклидов и почвы принадлежит модельным исследованиям.

При подготовке растворов с необходимыми концентрациями кобальта, стронция и цезия были использованы государственные стандартные образцы (ГСО) соответствующих элементов (водные растворы), с концентрацией 1 мг/л.

В соответствии с требованиями к эксперименту были подготовлены образцы почв и донных отложений с различной влажностью и с заданной концентрацией кобальта, стронция и цезия. В эксперименте использовались одноэлементные растворы, которые приливали к пробам почвы и донных отложений в количестве, необходимом для создания определённой влажности и встряхивались в течение часа. Определение концентраций химических элементов проводилось на спектрометре эмиссионном с индуктивно связанной плазмой iCAP 6500 Duo.

В таблице 1 представлены показатели химического состояния используемых для проведения эксперимента проб почв и донных отложений.

Таблица 1. Характеристики образцов почв и донных отложений, используемых в эксперименте

Чернозем типичный, серая лесная и аллювиальная дерновая почвы имеют близкую к нейтральной реакцию почвенной среды. Чернозем типичный и серая лесная почвы содержат высокие концентрации органического вещества, что говорит об их высоком плодородии.

В таблице 2 представлены результаты проведенного эксперимента с использованием модельных растворов.

Таблица 2. Содержание элементов в пробах почв и донных отложениях в различных условиях эксперимента

Известно, что цезий связывается органическими лигандами более прочно, чем по ионообменному типу и наряду с комплексно-гетерополярными солями может образовывать внешнесферные комплексные органо-минеральные соединения, а стронций образует как внешнесферные, так и внутрисферные органо-минеральные комплексы [1].

Следовательно, чем выше содержание органического вещества в почвах и грунтах, тем выше у них сорбционная емкость по отношению к загрязняющим веществам.

Результаты исследования показали, что сорбционная емкость разных типов почв не является постоянной величиной.

Емкость поглощения зависит от многих факторов: способа определения, дисперсности, химического и минералогического состава поглащающего комплекса, рН, концентрации и химического состава внешнего раствора, свойств противоионов, температуры [3].